WO1999030031A1 - Windkraftanlage und verfahren zur kühlung eines generators einer windkraftanlage - Google Patents

Windkraftanlage und verfahren zur kühlung eines generators einer windkraftanlage Download PDF

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine, comprising a tower, a turbine and a generator.
  • the invention further relates to a method for cooling a generator of a wind turbine.
  • the object of the invention is to provide a wind turbine with effective generator cooling. Another object of the invention is to provide a method for cooling a generator of a wind turbine.
  • the task aimed at specifying a wind power plant is achieved by a wind power plant, comprising a tower in or on which a duct is provided and a turbine by means of which a generator can be operated, a cooling air stream cooling the generator being able to be generated in the duct by means of a chimney effect.
  • a major advantage of such a wind power plant is its particularly high cooling capacity.
  • a large mass flow of cooling air is used to cool the generator.
  • the channel preferably extends substantially vertically.
  • the tower preferably has a solid tower wall and is hollow, the channel being formed by the tower wall.
  • This embodiment allows the chimney effect to be used for generator cooling in a particularly simple manner, in that an already existing tower is used as a channel for the chimney effect.
  • a separate channel can also be provided, e.g. a tube, which is arranged in a tower made of lattice struts.
  • the generator is preferably connected to the turbine without a gear.
  • the generator is further preferably mounted in a bearing plate, with a gap between the generator and the bearing plate which is open to the environment and through which remains
  • Gap of the cooling air flow can be removed.
  • a power electronics unit is preferably arranged in the channel, in particular near the floor. In gearless wind turbines, there is a need to electronically process the electricity generated by the generator to a suitable grid frequency. The power electronics required for this generate a considerable amount of heat. This amount of heat can be used favorably to enhance the chimney effect. The chimney effect can be amplified particularly when the power electronics are located near the bottom of the tower.
  • the power electronics unit is advantageously also cooled by the cooling air flow generated.
  • the power electronics unit is preferably a frequency converter.
  • the cooling air flow can be directed to the generator in such a way that it is cooled particularly efficiently.
  • the generator is preferably arranged in the channel, preferably near the ground.
  • a wind turbine in which the generator is arranged on the bottom of a solid and hollow tower, it is not possible to cool the generator behind the wind turbine using the air flow caused by the wind turbine. Cooling via a cooling air flow generated by the chimney effect is particularly effective here.
  • a filter for filtering the cooling air flow is preferably present.
  • a filter By guiding the cooling air flow in a duct, a filter can be provided in a simple manner with which the cooling air flow can be cleaned. This better protects the generator from dirt and corrosion.
  • the generator is further preferably coolable by means of a closed cooling circuit, a heat exchanger which can be cooled by the cooling air flow being arranged in the cooling circuit.
  • a heat exchanger which can be cooled by the cooling air flow being arranged in the cooling circuit.
  • the method of cooling a generator of a wind turbine is solved by a method of cooling a generator of a wind turbine, in which a turbine arranged on a tower generates a generator.
  • Tor drives, and wherein a cooling air flow is generated in a channel provided in or on the tower by a chimney effect, which cools the generator.
  • the cooling air flow preferably cools the generator directly.
  • the cooling air flow further preferably cools a heat exchanger which is integrated in a closed cooling circuit via which the generator is cooled.
  • a power electronics unit arranged in the duct preferably enhances the chimney effect by heating the air in the duct.
  • the cooling air flow is more preferably filtered.
  • FIG. 2 shows a wind turbine with indirect cooling of the generator by the cooling air flow.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a wind turbine 1.
  • a wind turbine 4 is arranged on a horizontal axis 4A.
  • a hub 4B Arranged on a hub 4B are two rotor blades 4C lying opposite one another and only partially shown.
  • An approximately circular disk-shaped bearing plate 8 adjoins the hub 4B concentrically with the axis 4A.
  • the bearing plate 8 comprises a generator 5 which is also arranged concentrically to the axis 4A.
  • Tor 5 remains an annular gap 9.
  • an air guide 11 is arranged, for example an arrangement of suitably oriented baffles.
  • the tower 2 has a tower wall 7. This is solid.
  • the tower 2 is hollow and bent at its upper end 2B towards the axis 4A.
  • a vertical channel 3 is formed by the tower wall 7, which leads to the lower end of the tower 2, the tower base 2A, up to the generator 5.
  • a power electronics unit 10 for frequency conversion is arranged in the tower base 2A in the vicinity of the floor 35.
  • wind 36 drives the turbine 4.
  • the rotation of the turbine 4 is transmitted to the generator 5.
  • no gearbox is connected between turbine 4 and generator 5.
  • the generator 5 thus generates electricity at the frequency of the rotating turbine 4.
  • frequency conversion takes place in the power electronics unit 10.
  • This emits heat to the surrounding air in duct 3.
  • This increases the chimney effect in duct 3.
  • a cooling air flow 6 is generated.
  • the cooling air flow 6 rises to the upper end of the tower 2 and is deflected towards the generator 5.
  • the air-guiding device 11 serves to efficiently flow the cooling air flow 6 around the generator 5.
  • the cooling air flow 6 emerges from the gap 9 into the environment.
  • a filter 12 arranged in the channel 3 serves to clean the cooling air flow 6 from e.g. Dust or salt. This reduces contamination or corrosion of the generator 5.
  • the cooling by means of the chimney effect is very effective due to a large cooling air mass flow.
  • the generator 5 is not cooled directly with the cooling air flow 6, but via a heat exchanger 14 arranged in the duct 3 at the upper end 2B of the tower 2.
  • This heat exchanger 14 is integrated in a closed cooling circuit 13.
  • the generator 5 is cooled via the cooling circuit 13, that is to say indirectly via the cooling air flow 6. This makes it possible to completely separate the generator from the ambient air. This reduces harmful corrosive influences on generator components, in particular when the wind turbine 1 is installed in salty ambient air.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (1), bei der ein Generator (5) durch eine im Turm (3) der Windkraftanlage (1) erzeugte Kühlluftströmung (6) gekühlt wird. Die Kühlluftströmung (6) wird über eine Kaminwirkung erzeugt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kühlung eines Generators (5).

Description

Beschreibung
Windkraftanlage und Verfahren zur Kühlung eines Generators einer Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, umfassend einen Turm, eine Turbine und einen Generator. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung eines Generators einer Windkraftanlage.
Aus dem Buch "Windkraftanlagen" von Robert Gasch, B.G. Teub- ner, Stuttgart, 1996, ist der grundsätzliche Aufbau einer Windkraftanlage entnehmbar. Ein Windrad einer Windturbine wird durch Wind in Rotation versetzt. Die dadurch entstehende Rotationsenergie wird direkt oder über ein Getriebe auf den Rotor eines Generators übertragen. Durch ein vom Rotor erzeugtes Magnetfeld wird in einem den Rotor umgebenden Stator eine elektrische Spannung induziert. Im Generator kann dabei eine erhebliche Wärmemenge freigesetzt werden. Aus diesem Grund ist in der Regel eine Kühlung des Generators vorgesehen. Eine Möglichkeit zur Kühlung eines getriebelos angetriebenen Generators ist auf Seite 87 beschrieben. Die dort abgebildete Maschine des Typs E40 der Fa. Enercon weist einen in einem Lagerschild gelagerten Generator auf. Zwischen Genera- tor und Lagerschild bleibt ein Spalt. Zur Kühlung des Generators wird Luft auf der der Turbine gegenüberliegenden Seite des Turmkopfes in den Turmkopf hinein zum Generator geleitet. Die Luft tritt aus dem Spalt zwischen Rotor und Lagerschild aus .
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Windkraftanlage mit einer effektiven Generatorkühlung. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Kühlung eines Generators einer Windkraftanlage.
Erfindungsgemäß wird die auf Angabe einer Windkraftanlage gerichtete Aufgabe gelöst durch eine Windkraftanlage, umfassend einen Turm, in dem oder an dem ein Kanal vorgesehen ist und eine Turbine, durch welche ein Generator betreibbar ist, wobei in dem Kanal mittels einer Kaminwirkung ein den Generator kühlender Kühlluftstrom erzeugbar ist.
Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Windkraftanlage liegt in einer besonders hohen Kühlleistung. Durch die Ausnutzung des Kamineffektes wird ein großer Massenstrom an Kühlluft zur Kühlung des Generators genutzt. Vorzugsweise erstreckt sich der Kanal im wesentlichen vertikal.
Vorzugsweise weist der Turm eine massive Turmwand auf und ist hohl, wobei der Kanal durch die Turmwand gebildet ist. Diese Ausführungsform gestattet in einer besonders einfachen Weise die Ausnutzung des Kamineffektes für eine Generatorkühlung, indem ein schon vorhandener Turm als Kanal für die Kaminwirkung genutzt wird. Es kann aber statt eines hohlen Turmes auch ein eigener Kanal vorgesehen sein, z.B. ein Rohr, welches in einem aus Gitterstreben aufgebauten Turm angeordnet ist.
Bevorzugt ist der Generator getriebelos mit der Turbine verbunden. Weiter bevorzugt ist der Generator in einem Lagerschild gelagert, wobei ein zur Umgebung geöffneter Spalt zwi- sehen Generator und Lagerschild verbleibt, durch welchen
Spalt der Kühlluftstrom abführbar ist. Bevorzugtermaßen ist eine Leistungselektronikeinheit im Kanal, insbesondere in Bodennähe, angeordnet. Bei getriebelosen Windkraftanlagen besteht die Notwendigkeit, den vom Generator erzeugten Strom elektronisch zu einer geeigneten Netzfrequenz aufzuarbeiten. Die dafür benötigte Leistungselektronik erzeugt eine erhebliche Wärmemenge. Diese Wärmemenge kann günstig zu einer Verstärkung des Kamineffektes genutzt werden. Besonders dann, wenn die Leistungselektronik in Bodennähe des Turmes angeord- net ist, ist der Kamineffekt verstärkbar. Die Leistungselektronikeinheit wird vorteilhafterweise ebenfalls durch den erzeugten Kühlluftstrom gekühlt. Bevorzugtermaßen ist die Leistungselektronikeinheit ein Frequenzumrichter .
Weiter bevorzugt sind Mittel zur Umlenkung des Kühlluftstroms zum Generator vorhanden, z.B. Leitbleche oder Umlenkschaufeln oder ähnliches. Durch solche Mittel läßt sich der Kühlluftstrom so zum Generator leiten, daß dieser besonders effizient gekühlt wird.
Bevorzugt ist der Generator im Kanal, vorzugsweise in Bodennähe, angeordnet. Bei einer Windkraftanlage, bei der der Generator am Boden eines massiven und hohlen Turmes angeordnet ist, ist es nicht möglich, den Generator unter Ausnutzung der von der Windturbine hervorgerufenen Luftströmung hinter der Windturbine zu kühlen. Hier ist eine Kühlung über einen von der Kaminwirkung erzeugten Kühlluftstrom besonders wirksam.
Bevorzugtermaßen ist ein Filter zur Filterung des Kühlluft- Stroms vorhanden. Durch die Führung des Kühlluftstroms in einem Kanal läßt sich in einfacher Weise ein Filter vorsehen, mit dem der Kühlluftstrom gereinigt werden kann. Damit wird der Generator vor Verschmutzung und Korrosion besser geschützt .
Weiter bevorzugt ist der Generator durch einen geschlossenen Kühlkreislauf kühlbar, wobei ein durch den Kühlluftstrom kühlbarer Wärmetauscher in dem Kühlkreislauf angeordnet ist. Durch eine solche Maßnahme ist es möglich, den Generator von der Kühlluft zu trennen. Dies verhindert Verschmutzungen durch die Kühlluft. Der Generator wird nun indirekt über den Wärmetauscher von dem Kühlluftstrom gekühlt.
Erfindungsgemäß wird die auf Angabe eines Verfahrens zur Küh- lung eines Generators einer Windkraftanlage gelöst durch ein Verfahren zur Kühlung eines Generators einer Windkraftanlage, bei dem eine auf einem Turm angeordnete Turbine einen Genera- tor antreibt, und wobei in einem im oder am Turm vorgesehenen Kanal durch eine Kaminwirkung ein Kühlluftstrom erzeugt wird, welcher den Generator kühlt.
Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen der Windkraftanlage.
Bevorzugt kühlt der Kühlluftstrom den Generator direkt. Wei- ter bevorzugt kühlt der Kühlluftstrom einen Wärmetauscher, welcher in einem geschlossenen Kühlkreislauf integriert ist, über den der Generator gekühlt wird. Bevorzugtermaßen verstärkt eine in dem Kanal angeordnete Leistungselektronikeinheit die Kaminwirkung durch eine Erwärmung der Luft im Kanal. Weiter bevorzugt wird der Kühlluftstrom gefiltert.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Windkraftanlage mit direkter Kühlung des Generators durch den Kühlluftstrom und
FIG 2 eine Windkraftanlage mit indirekter Kühlung des Generators durch den Kühlluftstrom.
Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.
In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch eine Windkraftanlage 1 dargestellt. Am oberen Ende 2B eines leicht konisch zulaufenden Turms 2 ist auf einer horizontalen Achse 4A eine Windturbine 4 angeordnet. An einer Nabe 4B sind zwei einander gegenüberliegende, nur teilweise dargestellte Rotorblätter 4C angeordnet. An die Nabe 4B schließt sich konzentrisch zur Achse 4A ein etwa kreisscheibenförmiger Lagerschild 8 an. Der Lagerschild 8 umfaßt einen ebenfalls konzentrisch zur Achse 4A angeordneten Generator 5. Zwischen Lagerschild 8 und Genera- tor 5 verbleibt ein ringförmiger Spalt 9. Entlang der Achse 4A hinter dem Generator 5 ist eine Luftleiteinrichtung 11 angeordnet, z.B. eine Anordnung geeignet orientierter Leitbleche. Der Turm 2 weist eine Turmwand 7 auf. Diese ist massiv ausgeführt. Der Turm 2 ist hohl und an seinem oberen Ende 2B zur Achse 4A hin gebogen. Durch die Turmwand 7 wird ein vertikaler Kanal 3 gebildet, welcher zum unteren Ende des Turms 2, dem Turmfuß 2A, bis zum Generator 5 führt. Im Turmfuß 2A ist in Nähe des Bodens 35 eine Leistungselektronikeinheit 10 zur Frequenzumrichtung angeordnet.
Im Betrieb einer solchen Windkraftanlage 1 treibt Wind 36 die Turbine 4 an. Die Rotation der Turbine 4 wird auf den Generator 5 übertragen. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei kein Getriebe zwischen Turbine 4 und Generator 5 geschaltet. Der Generator 5 erzeugt somit Strom mit der Frequenz der sich drehenden Turbine 4. Zur Anpassung dieses Stroms an die Netzfrequenz erfolgt eine Frequenzumrichtung in der Leistungselektronikeinheit 10. Diese gibt dabei Wärme an die sie umgebende Luft im Kanal 3 ab. Dies verstärkt die Kaminwirkung im Kanal 3. Es wird ein Kühlluftstrom 6 erzeugt. Der Kühlluftstrom 6 steigt bis zum oberen Ende des Turms 2 auf und wird zum Generator 5 hin umgelenkt. Dabei dient die Luftleiteinrichtung 11 einer effizienten Umströmung des Gene- rators 5 mit dem Kühlluftstrom 6. Der Kühlluftstrom 6 tritt aus dem Spalt 9 in die Umgebung aus. Ein im Kanal 3 angordne- ter Filter 12 dient zur Säuberung des Kühlluftstroms 6 von z.B. Staub oder Salz. Dies reduziert eine Verschmutzung oder Korrosion des Generators 5. Die Kühlung mittels der Kaminwir- kung ist durch einen großen Kühlluftmassenstrom sehr effektiv.
In Figur 2 ist im wesentlichen die gleiche Windkraftanlage wie in Figur 1 gezeigt. Im Unterschied zur Windkraftanlage in Figur 1 erfolgt aber die Kühlung des Generators 5 nicht direkt mit dem Kühlluftstrom 6, sondern über einen im Kanal 3 am oberen Ende 2B des Turms 2 angeordneten Wärmetauscher 14. Dieser Wärmetauscher 14 ist in einem geschlossenen Kühlkreislauf 13 integriert. Der Generator 5 wird über den Kühlkreislauf 13, also indirekt über den Kühlluftstrom 6, gekühlt. Damit ist es möglich, den Generator vollständig von der Umgebungsluft zu trennen. Dies reduziert schädliche korrosive Einflüsse auf Generatorbauteile, insbesondere bei einer Aufstellung der Windkraftanlage 1 in salzhaltiger Umgebungsluft.

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftanlage, umfassend einen Turm (2), in dem oder an dem ein Kanal (3) vorgesehen ist, und eine Turbine (4), durch welche ein Generator (5) antreibbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in dem Kanal (3) mittels einer Kaminwirkung ein den Generator (5) kühlender Kühlluftstrom (6) erzeugbar ist.
2. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Turm (2) eine massive Turmwand (7) aufweist und hohl ist, wobei der Kanal (3) durch die Turmwand (7) gebildet ist.
3. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Generator (5) getriebelos mit der Turbine (4) verbunden ist.
4. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Generator (5) in einem Lagerschild (8) gelagert ist, wobei ein zur Umgebung geöffneter Spalt (9) zwischen Generator (5) und Lagerschild (8) verbleibt, durch welchen Spalt (9) der Kühlluftstrom (6) abführbar ist.
5. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Leistungselektronikeinheit (10) im Kanal (3) , insbesondere in Bodennähe, angeordnet ist.
6. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Leistungselektronikeinheit (10) ein Frequenzumrichter ist.
7. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Mittel (11) zur Umlenkung des Kuhlluftstromes (6) zum Generator (5) vorhanden sind.
8. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Anspru- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der
Generator (5) im Kanal (3) , vorzugsweise in Bodennahe, angeordnet ist.
9. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Anspru- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein
Filter (12) zur Filterung des Kuhlluftstroms (6) vorhanden ist .
10. Windkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Anspru- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der
Generator (5) durch einen geschlossenen Kuhlkreislauf (13) kuhlbar ist, wobei ein durch den Kuhlluftstrom (6) kühlbarer Wärmetauscher (14) in dem Kuhlkreislauf (13) angeordnet ist.
11. Verfahren zur Kühlung eines Generators (5) einer Windkraftanlage (1) , bei dem eine auf einem Turm (2) angeordnete Turbine (4) den Generator (5) antreibt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in einem im oder am Turm (2) vorgesehenen Kanal (3) durch eine Kaminwir- kung ein Kühlluftstrom (6) erzeugt wird, welcher den Generator (5) kühlt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kuhlluft- ström (6) den Generator (5) direkt kühlt.
13. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kuhlluftstrom (6) einen Wärmetauscher (14) kühlt, welcher in einen geschlossenen Kuhlkreislauf (15) integriert ist, über den der Generator (5) gekühlt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine in dem Kanal (3) angeordnete Leistungselektronikeinheit (10) die Kaminwirkung durch eine Erwärmung der Luft im Kanal (3) ver- stärkt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kühlluftstrom (6) gefiltert wird.
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