WO2001077526A1 - Windenergieanlage mit einem wärmetauschersystem - Google Patents

Windenergieanlage mit einem wärmetauschersystem Download PDF

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    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Definitions

  • Wind turbines convert the translational energy of the air flow into rotational energy of the drive train through the rotor. In modern wind turbines, this mechanical energy is converted into electrical energy.
  • generator systems are required, which are either driven directly by the rotor of the wind turbine or with an intermediate gear. Both generator systems differ essentially in their size, which results from the power and the drive speeds.
  • this object is achieved by a heat exchanger system consisting of a heat absorption unit arranged in the region of the generator and possibly the transmission, a heat emission unit arranged in the region of the tower, a line system connecting the two units with one another, consisting of a flow line and a return line and a circulation pump.
  • the heat is directed from the place of origin to another place of heat transfer by suitable transfer media.
  • this transfer medium is usually air, in the transmission it is oil.
  • La / b an embodiment with a heat exchanger on the tower head area, wherein a pipe spiral or a double wall of the tower is used for heat dissipation,
  • Base part of the tower is arranged and the heat is dissipated into the surrounding water
  • FIG. 3 shows an embodiment in which the heat exchanger made of a suitable corrosion-resistant material is designed to protrude into the surrounding water
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the heat exchanger is arranged within the tower or foundation part and the heat is dissipated into the sea water via a secondary circuit.
  • the heat emission unit 18 is designed as a tube spiral extending around the jacket of the tower 24, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 b the tower 24 is double-walled in its upper region, the space between the two walls forms the heat emission unit 18.
  • the heat emission unit 16 is arranged in the lower region of the tower or the foundation part to which the ambient water acts, in the exemplary embodiment shown in FIG. 2a the heat emission unit 18 is again a tube spiral, in the case of FIG illustrated embodiment is formed by a double-walled design of the tower 24 or the foundation part.
  • the heat emission 18 is washed around by the ambient water, that is, the heat loss is removed from the ambient water.
  • This embodiment also has the advantage that it keeps the area around the tower free of ice when the system is in operation.
  • the heat exchanger is again designed as a spiral tube, which is made of a suitable corrosion-resistant material and is arranged outside the tower, so that the heat The dispensing unit 18 is immediately washed by the surrounding water.
  • This version has the advantage that the heat exchanger can be made relatively small.

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Abstract

Windenergieanlage mit einer Rotoreinheit (10), ggf. einem Getriebe (12) und einem Generator (14), mit einem Wärmetauschersystem bestehend aus einer im Bereich des Generators (14) und ggf. des Getriebes (12) angeordneten Wärmeaufnahmeeinheit (16), einer im Bereich des Turms (24) angeordneten Wärmeabgabeeinheit (18), einem die beiden Einheiten (16, 18) miteinander verbindenden, ein flüssiges Kühlmittel führenden Leitungssystem bestehend aus einer Vorlaufleitung (20) und einer Rücklaufleitung (22) und einer Umwälzpumpe.

Description

Windenergieanlage mit einem Wärmetauschersystem
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einer Rotoreinheit, einem Generator und ggf. einem Getriebe.
Windenergieanlagen wandeln durch den Rotor die translatorische Energie der Luftströmung in rotatorische Energie des Triebstranges um. Bei modernen Windenergieanlagen wird diese mechanische Energie in elektrische Energie umgeformt. Für diese Wandlung sind GeneratorSysteme erforderlich, die entweder direkt vom Rotor der Windturbine oder mit einem zwischengeschalteten Getriebe angetrieben werden. Beide Generatorsysteme unterscheiden sich im wesentlichen durch ihre Baugröße, die sich aus der Leistung und den Antriebsdrehzahlen ergibt.
Generatoren in der Megawattklasse, die direkt vom Rotor angetrieben werden, rotieren mit einer Drehzahl von ca. 10 bis 20 min"1. Genertoren von Windenergieanlagen, bei denen ein hochübersetzendes Getriebe zwischen Rotor und Generator gekoppelt ist, werden mit ca. 800 bis 1800 min"1 betrieben. Diese Energiewandlung in eine Energieform mit einer höheren Wertigkeit ist mit Wirkungsgradverlusten verbunden, die in Form von Wärme anfallen. Die Verlustwärme fällt also entweder nur im Generator oder im Getriebe und im Genertor an und muß zur Vermeidung einer Überhitzung und einer dadurch verursachten Beschädigung der Anlagenkomponenten an die Umwelt abgeführt werden.
Bei Anlagen nach dem Stand der Technik wird diese Verluεt- wärme entweder durch eine direkte Durchlüftung der Gondel mit Außenluft oder durch einen Zwischenkreis mit Wärmetau- scher abgeführt, wobei in jedem Fall Außenluft direkt durch die Gondel geleitet wird.
Für Offshore-Anlagen ist diese Durchlüftung der Gondel mit ungefilterter Außenluft nicht akzeptabel, da die korrosive, salzhaltige Luft die Anlagenkomponenten nachhaltig schädigen und einen Ausfall bewirken kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Offshore-Windenergieanlage zu schaffen, bei der für eine ausreichende Kühlung des Generators und ggf. des Getriebes gesorgt ist, ohne daß diese mit der aggressiven Außenluft in Kontakt kommen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Wärmetauschersystem bestehend aus einer im Bereich des Generators und ggf. des Getriebes angeordnete Wärmeaufnahmeeinheit, einer im Bereich des Turms angeordnete Wärmeabgabeeinheit, einer die beiden Einheiten miteinander verbindenden Leitungssystem bestehend aus einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung und einer Umwälzpumpe.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Wärmeabgabeeinheit als um den Mantel des Turms herum verlaufende Rohrspirale ausgebildet ist. Alternativ kann die Wärmeabgabeeinheit zwischen den Wandungen eines doppelwandig ausgebildeten Turms eingebracht sein.
Die Wärmeabgabeeinheit kann im oberen Bereich des Turms von der Umgebungsluft beaufschlagt angeordnet sein, vorzugsweise ist die Wärmeabgabeeinheit jedoch im unteren Bereich des Turms von dem Umgebungswasser beaufschlagt angeordnet.
Das Leitungssystem sollte mit Drehdurchführungen versehen sein, die die Übergabe des zu fördernden Kühlmediums von der relativ zu dem Turm drehbaren Gondel auf das Leitungssystem ermöglicht. Es können stattdessen auch flexible Leitungen verwendet werden, die einigen wenigen Umdrehungen der Gondel relativ zu dem Turm folgen können.
Die Wärme wird durch geeignete Transfermedien von dem Ort der Entstehung gezielt an einen anderen Ort der Wärmeübertragung geleitet. Im Generator ist dieses Transfermedium üblicher Weise Luft, im Getriebe ist es Öl.
Die darin enthaltene Wärmemenge kann dann über Wärmetauscher an ein zentrales Wärmeleitungssystem übertragen werden. Dieses Wärmeleitungssystem kann als Medium z. B. frostgeschütztes Wasser verwenden.
Dieses zentrale Wärmeübertragungssystem ist an einen Wärmetauscher angeschlossen, der in der Turmwand der Anlage oder dem Gründungsteil der Offshore-Windenergieanlage angeordnet ist.
Für die Übertragung der Verlustwärme von der Gondel der Anlage, die das Getriebe und den Generator enthält, auf den Turm ist zwischen den Rohrleitungen eine Drehdurchführung oder ein flexibles Schlauchsystem erforderlich, um die notwendige Drehung der Gondel zu ermöglichen.
Bei der Anordnung in der Turmwand wird die Wärmemenge über die Außenwand des Turmes an die Außenluft abgegeben. Dieses hat den Vorteil der kurzen Leitungswege aber den Nachteil der relativ großen Wärmetauscherflächen. Bei der Anordnung in dem Gründungsteil der Anlage wird die Wärmemenge über die Außenwandung an das umgebende Meerwasser überführt. Dieses hat den Vorteil einer kleineren Wärmetauschergröße aufgrund des besseren Wärmeüberganges zum Wasser, aber den Nachteil der längeren Leitungswege. Der Großteil der gesamten Verlustwärmemenge, die von dem Transfermedium transportiert wird, kann auf diese Weise in die Umwelt abgeführt werden. Der geringe Teil der Verlustwärme, der an die Oberfläche der energieverlustbehafteten Komponenten gelangt, muß über direkte Konvektion abgeführt werden. Ideal ist daher eine Kombination von direkter Wärmeabfuhr über Wärmetauscher, wie oben beschrieben, und eine Restwärmeabfuhr von den Komponentenoberflächen durch gereinigte Luftzufuhr in den Gondelraum unter Überdruck, so daß der Luftstrom ausschließlich nach außen gerichtet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
Fig. la/b eine Ausbildung mit einem Wärmetauscher am Turmkopfbereich, wobei eine Rohrspirale oder aber eine Doppelwandung des Turms zur Wärmeabfuhr dient,
Fig. 2a/b eine der Fig. 1 entsprechende Ausbildung, bei der der Wärmetauscher jedoch im Bereich der
Grundungsteils des Turms angeordnet ist und die Wärmeabfuhr in das Umgebungswasser erfolgt,
Fig. 3 eine Ausbildung, bei der der aus einem geeigneten korrosionsbeständigen Material gefertigte Wärmetauscher sich in das Umgebungswasser hinein ragend ausgebildet ist,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel , bei der der Wärmetauscher innerhalb des Turms oder Gründungsteils abgeordnet ist und die Wärme über einen Sekundärkreislauf in das Meerwasser abgeführt wird.
Die Figuren verdeutlichen, daß das Wärmetauschersystem aus einer Wärmeaufnahmeeinheit 16 und einer Wärmeabgabeeinheit 18 besteht. Die Wärmeaufnahmeeinheit 16 ist dabei dem Getriebe 12 und dem Generator 14 zugeordnet und nimmt den wesentlichen Teil der von diesen abgegebenen Verlustwärme auf. Über ein aus einer Vorlaufleitung 20 und einer Rücklaufleitung 22 bestehendes Leitungssystem wird die Wärme zu der Wärmeabgabeeinheit 18 geführt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeabgabeeinheit 18 als um den Mantel des Turms 24 herum verlaufende Rohrspirale ausgebildet, bei dem in Fig. lb gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Turm 24 in seinem oberen Bereich doppelwandig ausgebildet, wobei der Raum zwischen den beiden Wandungen die Wärmeabgabeeinheit 18 bildet.
In beiden Ausführungsbeispielen wird die Wärmeabgabeeinheit 18 von der Umgebungsluft beaufschlagt, die die Verlustwärme abführt.
Bei dem in den Figuren 2a, 2b dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Wärmeabgabeeinheit 16 im unteren Bereich des Turms oder des Gründungsteils von dem Umgebungswasser beaufschlagt angeordnet, bei dem in Fig. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeabgabeeinheit 18 wiederum als Rohrspirale, bei dem in Fig. 2b dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine doppelwandige Ausbildung des Turms 24 oder des Gründungsteils ausgebildet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Wärmeabgabe 18 von dem Umgebungswasser umspült, die Verlustwärme also von dem Umgebungswasser abgeführt. Dieses Ausführungsbeispiel hat weiter den Vorteil, daß es bei einem Betrieb der Anlage den Bereich um den Turm herum eisfrei hält.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher wiederum als Rohrspirale ausgebildet, die aus einem geeigneten korrosionsbeständigen Material gefertigt ist und außerhalb des Turmes angeordnet ist, so daß die War- meabgabeeinheit 18 von dem umgebenen Wasser unmittelbar umspült wird. Diese Ausführungsfor hat den Vorteil, daß der Wärmetauscher relativ klein ausgebildet werden kann.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher innerhalb des Turms (oder aber dessen Gründungsteils) angeordnet, die Wärme wird über einen Meerwasser führenden Sekundärkreislauf abgeführt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Windenergieanlage mit einem Turm (24), einer Rotoreinheit (10), ggf. einem Getriebe (12), einem Generator (14) und einem Wärmetauschersystem, dessen Wärmeaufnahmeeinheit (16) im Bereich des Generators (14) und ggf. des Getriebes (12) angeordnet ist und dessen Wärmeabgabeeinheit (18) im Bereich des Turms (24) angeordnet ist, gekennzeichnet durch ein die beiden Einheiten (16, 18) miteinander verbindendes, ein flüssiges Kühlmittel führendes Leitungssystem mit einer Vorlaufleitung (20), einer Rücklaufleitung (22) und einer Umwälzpumpe.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabeeinheit (18) als um den Mantel des Turms (24) herum verlaufende Rohrspirale ausgebildet ist.
3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufleitung (20) und die Rücklaufleitung (22) mit Drehdurchführungen versehen ist.
4. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabeeinheit (18) im oberen Bereich des Turms (24) von der Umgebungsluft beaufschlagt angeordnet ist.
5. Windenergieanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabeeinheit (18) bei einer Ausbildung der Anlage als Offshore- Windenergieanlage im unteren Bereich des Turms (24) oder des Gründungsteils von dem Umgebungswasser beaufschlagt angeordnet ist.
6. Windenergieanlage nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabeinheit (18) mit einem Sekundärkreislauf versehen ist, der die Wärme direkt in das Umgebungswasser abgibt.
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