WO2009033925A2 - Windkraftanlage mit wärmetauschersystem - Google Patents

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WO2009033925A2
WO2009033925A2 PCT/EP2008/060942 EP2008060942W WO2009033925A2 WO 2009033925 A2 WO2009033925 A2 WO 2009033925A2 EP 2008060942 W EP2008060942 W EP 2008060942W WO 2009033925 A2 WO2009033925 A2 WO 2009033925A2
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heat
unit
generator
nacelle
power plant
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Thomas Hoppe
Johannes Wollenberg
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/60—Cooling or heating of wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/60—Fluid transfer
    • F05B2260/64—Aeration, ventilation, dehumidification or moisture removal of closed spaces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine with a generator arranged in a nacelle and a rotor hub, wherein the rotor hub has at least one rotor blade, and a heat exchanger system with a heat receiving unit, a heat dissipation unit, a conduit system connecting the two units and a circulating pump. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a wind turbine.
  • Such energy converters are, for example, generators, the installation of these generators usually taking place at high altitudes (on- and off-shore).
  • the power output, in particular the electrical energy of such generators is proportional to the generator size.
  • Wind power generators today usually consist of large electric machines, the basic structure of such generators is known.
  • the electric machine i.
  • the generator consists of two large components, a stator and a rotor.
  • the generator is dimensioned according to the wind conditions and the desired performance as an aggregate. This unit is usually very large and heavy. As a result, assembly, maintenance and repair require heavy and expensive equipment, such as load helicopters or load lifting cranes.
  • the generator is usually housed in a so-called gondola.
  • the size and weight of the gondola which is up to about 100 meters above the ground or the sea level, are limited due to the carrying capacity of currently feasible supporting structures, such as a tower. Nevertheless, the aspiration remains forever larger outputs of a wind turbine.
  • the maximum mass of a nacelle at a height of approx. 100 meters is currently limited to approx. 500 tons, taking into account the technical and economic constraints.
  • a wind turbine and a method for operating a wind turbine is known, for example, an indirect cooling is provided for the generator.
  • the generator releases waste heat to a coolant of a heat exchanger.
  • An air stream flows through the heat exchanger and absorbs the waste heat emitted by the generator. Subsequently, the waste heat is released to the environment.
  • Both the generator and the heat exchanger are arranged in the nacelle. The flow path of the air flow thus passes through the nacelle, whereby their construction is relatively complex. Furthermore, there is a risk that be entered with the air flow dirt or dust in the nacelle.
  • the object of the present invention is to provide a wind turbine with an effective generator cooling, wherein the generator is arranged protected within the nacelle. Furthermore, the object of the invention to provide a method for cooling a generator of such a wind turbine.
  • the object is solved by the features of claims 1 and 15. Advantageous developments can be found in the dependent claims.
  • the wind turbine according to the invention has one in a
  • the rotor hub has at least one rotor blade, wherein generally three rotor blades are arranged on the rotor hub.
  • the wind turbine has a heat exchanger system, which has a heat receiving unit, a heat dissipation unit, a line system connecting the two units and a circulation pump.
  • the heat-absorbing unit is arranged inside the nacelle in and / or on the generator, and the heat-dissipating unit is arranged outside the nacelle on its surface. Because the heat absorption unit is arranged in and / or on the generator, the heat loss of the generator is directly absorbed and dissipated. It ensures effective heat dissipation.
  • the heat-dissipating unit is arranged outside the nacelle on its surface, whereby the waste heat can be discharged directly into the ambient air, but the ambient air or the ambient air flow does not have to enter the nacelle.
  • the nacelle can be prepared as before, in which case the heat dissipation unit is to be arranged only on its surface.
  • the heat dissipation unit is easily accessible from the outside, for example in the case of a repair.
  • a liquid forced cooling of the generator is provided.
  • a cooling circuit is formed between the heat-absorbing unit and the heat-dissipating unit, with a liquid, in particular water, being provided as the transfer medium for the waste heat to be transported.
  • a liquid in particular water
  • other fluid transfer media may also be provided.
  • the heat-dissipating unit is arranged outside on the surface of the nacelle and can be acted upon by a cooling air flow.
  • the heat-dissipating unit is preferably designed as a liquid-air heat exchanger.
  • a useful effect can be achieved.
  • the higher the wind speed the higher the cooling capacity of the liquid-air heat exchanger.
  • With a high generator output (high wind speed) a high cooling capacity is available.
  • low generator power (low wind speed) a low cooling capacity is available.
  • the cooling capacity is always adjusted according to the generator power.
  • the use of a liquid-to-air heat exchanger can not result in undesired condensation of humidity in the nacelle since the heat exchanger is located outside and not within the nacelle.
  • one or more air guide arranged, wherein by means of this air guide the cooling air flow is selectively directed to the heat emitting unit.
  • the heat absorption unit is arranged in or on the stator.
  • the heat absorption unit is formed by means of liquid-flowed cooling channels, cooling tubes or cooling coils.
  • liquid-flowed cooling tubes are in an iron-laminated core or in wicket Lungsnuten the stator arranged.
  • the heat absorption unit is formed on an outer side of the stator by means of a coolant jacket through which liquid flows.
  • the stator or the generator can have a housing, wherein the heat absorption unit is arranged in the form of cooling tubes or cooling channels in or on the housing.
  • Heat absorption unit and heat dissipation unit are connected to each other by means of a conduit system, wherein the conduit system comprises connecting pipes or connecting hoses.
  • Connecting hoses offer the advantage that they can be designed to be flexible and thus easy to arrange.
  • Connecting pipes on the other hand, are inexpensive to manufacture.
  • the transfer medium is moved or circulated or pumped between the heat absorption unit and the heat output unit.
  • the circulation pump is integrated directly into the heat dissipation unit.
  • a compact component is provided which can be arranged as a unit on the surface of the nacelle.
  • the circulation pump is designed to be controllable or controllable, so that the cooling capacity can be regulated via the delivery rate of the circulation pump.
  • a control circuit for example, a stator temperature, an outside air temperature or a wind speed can be used. As a result, the thermal cycling of the stator can be reduced and so its life can be increased.
  • the loss or waste heat of the generator for heating or heating is available. Heating of certain parts of the wind turbine, such as transmissions, bearings or electronics, may be required or required under cryogenic conditions such as in winter or in cold climates. to be in part.
  • the connecting tubes or connecting tubes of the conduit system are designed to be flexible, so that the connecting tubes can be guided past components that are sensitive to cold.
  • the generator is preferably designed as a permanent magnet synchronous machine, wherein the generator is designed in particular as a pancake generator with a disk-shaped stator and a disk-shaped rotor.
  • the generator can also be designed as any other known electric machine.
  • the disk-shaped stator and the disk-shaped rotor are arranged relative to one another such that a disk-like air gap is formed between the stator and the rotor.
  • the disk-like structure of the electric machine differs from a cylindrical structure of an electrical machine, that although a rotational movement through the electric machine is still executable, but the magnetic fields on the air gap no radial orientation to the axis of rotation learn, but an alignment parallel to Rotary axis of the electric machine.
  • the disk-shaped electric machine designed in this way is comparable to a linear motor which is forced onto a circular path.
  • the disk-shaped stator is preferably designed so that individual stator segments are arranged on a disk or a ring.
  • Each stator segment in this case has windings, with a primary part that can be used for a linear motor being used in particular for forming the disk-like stator.
  • a disk-shaped stator can be easily produced in which primary parts for linear motors are simply used as modules for forming the disk-shaped stator.
  • the disk-shaped rotor has, for example, a permanent magnet, which is arranged opposite the stator segments. are net. If, instead of the permanent magnets, the rotor has only means for guiding a magnetic field, this means having a tooth structure, this tooth structure is also positioned on the rotor such that the tooth structure is opposite that part of the stator which is provided for forming the electromagnetic fields , If the rotor has no active means for generating magnetic fields, two means, for example winding and permanent magnets, for generating magnetic fields can be arranged in the stator.
  • the disc-shaped design allows a particularly compact design. Furthermore, the use of primary parts of linear motors allows a flexible and modular design of the electric machine. This is possible in particular because such primary parts of electric linear motors are provided for individual mounting or for individual connection.
  • the inventive method for operating the described wind power plant with a generator arranged in a nacelle and a rotor hub, wherein the rotor hub has at least one rotor blade, and a heat exchanger system comprises the following method steps:
  • the inventive method describes a liquid forced cooling of the generator.
  • the heat loss generated by the current flow in the stator of the generator is dissipated via a liquid cooling circuit.
  • the fluid transfer medium is water, although all other media which are suitable for cooling can also be used.
  • the cooling air flow is directed by means of one or more air guide body to the heat emitting unit, i. the liquid-air heat exchanger, passed.
  • the air guide bodies are arranged in the region of the heat dissipation unit, wherein advantageously a plurality of individual air guide bodies are arranged in an annular manner around the nacelle on their surface.
  • the air guide bodies are arranged according to the arrangement of the heat exchangers, i. Each heat exchanger is assigned at least one air guide body.
  • the power density of the generator at the design point is increased by at least 50% compared with a self-cooled or air-cooled electric machine by using a heat exchanger system.
  • a self-cooled or forced-air cooled generator with the same generator construction volume and / or weight, either more electric power can be converted in the generator or the temperature of the generator can be reduced.
  • a generator of the wind turbine with heat exchanger system according to the invention can, due to its higher performance Densify more power.
  • the deliverable electrical power is usually limited by the insulating materials used in the stator due to the damaging thermal load (essentially ohmic losses).
  • the specific thermal load (transmittable power loss or temperature) in the stator is higher in an electric machine with forced liquid cooling than in an electric machine without forced liquid cooling.
  • the service life and reliability of a wind power generator in a wind power plant according to the invention is disproportionately increased by the heat exchanger system due to the lower thermal load of the insulation materials used (disproportionately slow aging). Due to the high demands on the availability of a wind turbine over a period of at least 20 years, this can bring a significant economic advantage.
  • FIG. 1 shows a detail of a wind power plant according to the invention.
  • FIG shows a section of a wind turbine 1 according to the invention, wherein a longitudinal section is shown in particular by the nacelle 2 of the wind turbine 1.
  • the wind turbine 1 has the nacelle 2, wherein in the nacelle 2, a generator 3 is arranged.
  • the generator 3 may be formed as a conventional electric machine or as a disc rotor machine.
  • the rotor hub 4 is arranged.
  • At least one rotor blade 5, in the present case however two rotor blades 5, is arranged on the rotor hub 4. net.
  • three rotor blades 5, each spaced apart by 120 °, are arranged on the rotor hub 4.
  • the rotor hub 4 is arranged on a horizontal axis 14. At the rotor hub 4 concentric with the axis 14 is an approximately circular disc-shaped end plate 12 at.
  • the generator 3 is also arranged concentrically on the axis 14.
  • the generator 3 has a heat absorption unit 6, the heat absorption unit 6 being arranged in and / or on the stator (not shown) of the generator 3.
  • the heat absorption unit 6 is formed by means of built-in heat-conducting devices, such as liquid-flowedderoh- re.
  • the heat receiving unit 6 is shown only schematically.
  • the heat-emitting unit 7, which is designed in particular as a liquid-air heat exchanger, is arranged.
  • the heat-dissipating unit 7 may be arranged annularly on the surface 9 of the nacelle 2 around the nacelle 2. However, the heat-dissipating unit 7 can also be arranged only partially annular around the nacelle 2. Depending on the cooling requirement, the heat-dissipating unit 7 can be arranged in a continuous ring or only in sections.
  • Heat absorption unit 6 and heat dissipation unit 7 are connected to the conduit system 8 with each other.
  • the resulting in the operation of the generator 3 heat loss, which preferably in the stator, not shown, in particular in the winding heads, is formed is received by means of the heat receiving unit 6 by a fluid transfer medium.
  • the fluid transfer medium in particular water, is conducted to the heat-dissipating unit 7, where it is cooled by the cooling-air flow 10.
  • a circulating pump which is preferably integrated in the heat-dissipating unit 7, the cooled transfer medium is returned to the generator 3 via the lines 8 pumped. Due to the (not shown) circulation pump, the transfer medium is pumped continuously.
  • the air guide 11 can be seen, which direct the cooling air flow 10 to the heat dissipation unit 7.
  • one or more air-guiding bodies 11 are arranged around the entire surface 9 of the nacelle 2 or only partially on the surface 9 of the nacelle 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (1) mit einem in einer Gondel (2) angeordneten Generator (3) und einer Rotornabe (4), wobei die Rotornabe (4) zumindest ein Rotorblatt (5) aufweist, und einem Wärmetauschersystem mit einer Wärmeaufnahmeeinheit (6), einer Wärmeabgabeeinheit (7), einem die beiden Einheiten (6, 7) verbindenden Leitungssystem (8) und einer Umwälzpumpe, wobei die Wärmeaufnahmeeinheit (6) innerhalb der Gondel (2) im und/oder am Generator (3) angeordnet ist und die Wärmeabgabeeinheit (7) außerhalb der Gondel (2) an deren Oberfläche (9) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Windkraftanlage (1).

Description

Beschreibung
Windkraftanlage mit Wärmetauschersystem
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem in einer Gondel angeordneten Generator und einer Rotornabe, wobei die Rotornabe zumindest ein Rotorblatt aufweist, und einem Wärmetauschersystem mit einer Wärmeaufnahmeeinheit, einer Wärmeabgabeeinheit, einem die beiden Einheiten verbindenden Leitungssystem und einer Umwälzpumpe. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Windkraftanlage .
Zur Energiegewinnung aus Windkraft werden mechanisch-elek- trische Energiewandler benötigt. Derartige Energiewandler sind beispielsweise Generatoren, wobei der Einbau dieser Generatoren üblicherweise in großen Höhen (On- und Off-Shore) erfolgt. Die Leistungsausbeute, insbesondere die elektrische Energie, derartiger Generatoren ist dabei proportional zur Generatorgröße.
Windkraftgeneratoren bestehen heute in der Regel aus großen elektrischen Maschinen, wobei der grundsätzliche Aufbau derartiger Generatoren bekannt ist. Die elektrische Maschine, d.h. der Generator, besteht dabei aus zwei großen Bauteilen, einem Stator und einem Rotor. Der Generator wird den Windverhältnissen und der gewünschten Leistung entsprechend als ein Aggregat dimensioniert. Dieses Aggregat ist in der Regel sehr groß und schwer. Die Montage, Wartung und Instandsetzung er- fordert demzufolge schweres und teures Gerät, wie beispielsweise Lasthubschrauber oder Lasthubkräne.
Der Generator wird üblicherweise in einer sogenannten Gondel untergebracht. Die Größe und das Gewicht der Gondel, welche sich in bis zu ca. 100 Meter Höhe über den Erdboden oder dem Meeresspiegel befindet, sind aufgrund der Tragfähigkeit derzeit realisierbarer Tragkonstruktionen, wie beispielsweise eines Turm, begrenzt. Dennoch besteht die Bestrebung zu immer größeren Leistungen einer Windkraftanlage. Die maximale Masse einer Gondel, welche sich in einer Höhe von ca. 100 Meter Höhe befindet ist derzeit, unter Berücksichtigung der technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen, auf ca. 500 Ton- nen begrenzt.
Durch die mechanisch-elektrische Energiewandlung im Generator werden Verluste in Form von Wärme freigesetzt. Diese Verluste steigen aufgrund der Größe des Generators und der geforderten Leistung erheblich. Um eine Überhitzung und gegebenenfalls
Schädigung des Generators zu vermeiden, ist es notwendig, den Generator mit einer Kühlung zu versehen. Es sind verschiedene Kühlsysteme für einen Generator in einer Windkraftanlage bekannt .
Aus der DE 198 02 574 Al ist eine Windkraftanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage bekannt, wobei für den Generator beispielsweise eine indirekte Kühlung vorgesehen ist. Der Generator gibt Abwärme an ein Kühlmittel ei- nes Wärmetauschers ab. Ein Luftstrom durchströmt den Wärmetauscher und nimmt dabei die vom Generator abgegebene Abwärme auf. Anschließend wird die Abwärme an die Umgebung abgegeben. Sowohl der Generator als auch der Wärmetauscher sind in der Gondel angeordnet. Der Strömungsweg des Luftstroms führt so- mit durch die Gondel hindurch, wodurch deren Aufbau relativ aufwändig ist. Weiterhin besteht die Gefahr, dass mit dem Luftstrom Schmutz oder Staub in die Gondel eingetragen werden .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windkraftanlage mit einer effektiven Generatorkühlung bereitzustellen, wobei der Generator geschützt innerhalb der Gondel angeordnet ist. Ferner ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kühlung eines Generators einer derartigen Wind- kraftanlage anzugeben. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist einen in einer
Gondel angeordneten Generator und eine Rotornabe auf. Die Rotornabe weist zumindest ein Rotorblatt auf, wobei in der Regel drei Rotorblätter an der Rotornabe angeordnet sind. Ferner weist die Windkraftanlage ein Wärmetauschersystem auf, welches eine Wärmeaufnahmeeinheit, eine Wärmeabgabeeinheit, ein die beiden Einheiten verbindendes Leitungssystem und eine Umwälzpumpe aufweist.
Erfindungsgemäß ist die Wärmeaufnahmeeinheit innerhalb der Gondel im und/oder am Generator und die Wärmeabgabeeinheit außerhalb der Gondel an deren Oberfläche angeordnet. Dadurch, dass die Wärmeaufnahmeeinheit im und/oder am Generator angeordnet ist, wird die Verlustwärme des Generators direkt aufgenommen und abgeführt. Es ist eine effektive Wärmeabfuhr ge- währleistet.
Die Wärmeabgabeeinheit dagegen ist außerhalb der Gondel an deren Oberfläche angeordnet, wodurch die Abwärme direkt an die Umgebungsluft abgegeben werden kann, aber die Umgebungs- luft bzw. der Umgebungsluftstrom nicht in die Gondel eintreten muss. Somit kann die Gondel wie bisher hergestellt werden, wobei dann lediglich an deren Oberfläche die Wärmeabgabeeinheit anzuordnen ist. Weiterhin ist die Wärmeabgabeeinheit einfach von außen zugänglich, beispielsweise im Fall ei- ner Reparatur.
Zur Erhöhung der Leistungsdichte des Generators ist der Einsatz einer Flüssigkeits-Zwangskühlung des Generators vorgesehen. Dazu ist zwischen Wärmeaufnahmeeinheit und Wärmeabgabe- einheit ein Kühlkreislauf ausgebildet, wobei als Transfermedium für die zu transportierende Abwärme eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, vorgesehen ist. Es können aber auch andere fluide Transfermedien vorgesehen sein. Die im und/oder am Stator des Generators erzeugte Verlustwärme wird somit mittels der Flüssigkeitskühlung an die Wärmeaufnahmeeinheit und anschließend an die Wärmeabgabeeinheit übertragen .
Die Wärmeabgabeeinheit ist außerhalb an der Oberfläche der Gondel angeordnet und mit einem Kühlluftstrom beaufschlagbar, Somit ist die Wärmeabgabeeinheit vorzugsweise als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher ausgebildet. Durch Nutzung eines derartigen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauschers ist ein nützlicher Effekt erzielbar. Je höher die Windgeschwindigkeit ist, desto höher ist die Kühlleistung des Flüssigkeits-Luft-Wärmetauschers. Bei einer hohen Generatorleistung (hohe Windgeschwindigkeit) steht eine hohe Kühlleistung zur Verfügung. Bei niedriger Generatorleistung dagegen (niedrige Windgeschwindigkeit) steht eine niedrige Kühlleistung zur Verfügung. Somit ist die Kühlleistung immer entsprechend an die Generatorleistung angepasst. Ferner kann es durch die Verwendung eines Flüssigkeits-Luft-Wärmetauschers nicht zu einer unerwünschten Luftfeuchtigkeitskondensation in der Gondel kommen, da der Wärmetauscher außerhalb und nicht innerhalb der Gondel angeordnet ist.
Vorzugsweise sind im Bereich der Wärmeabgabeeinheit, d. h. des Flüssigkeits-Luft-Wärmetauschers, ein oder mehrere Luftleitkörper angeordnet, wobei mittels dieser Luftleitkörper der Kühlluftstrom gezielt auf die Wärmeabgabeeinheit leitbar ist. Somit wird eine effektive Nutzung bzw. eine effektive Kühlung des Transfermediums gewährleistet.
Um eine direkte Entwärmung des Generators sicherzustellen, ist die Wärmeaufnahmeeinheit im oder am Stator angeordnet. Vorteilhafter Weise ist die Wärmeaufnahmeeinheit mittels flüssigkeitsdurchströmten Kühlkanälen, Kühlrohren oder Kühl- schlangen ausgebildet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind flüssigkeitsdurch- strömte Kühlrohre in einem Eisen-Blechpaket oder in Wick- lungsnuten des Stators angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Wärmeaufnahmeeinheit mittels eines flüssig- keitsdurchströmten Kühlmantels an einer Außenseite des Stators ausgebildet. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfin- düng kann der Stator bzw. der Generator ein Gehäuse aufweisen, wobei die Wärmeaufnahmeeinheit in Form von Kühlrohren oder Kühlkanälen im oder am Gehäuse angeordnet ist.
Wärmeaufnahmeeinheit und Wärmeabgabeeinheit sind mittels ei- nes Leitungssystems miteinander verbunden, wobei das Leitungssystem Verbindungsrohre oder Verbindungsschläuche aufweist. Verbindungsschläuche bieten den Vorteil, dass diese flexibel ausgebildet sein können und somit einfach anzuordnen sind. Verbindungsrohre sind dagegen in der Herstellung güns- tig.
Mittels der Umwälzpumpe wird das Transfermedium zwischen Wärmeaufnahmeeinheit und Wärmeabgabeeinheit bewegt bzw. umgewälzt bzw. umgepumpt. Vorzugsweise ist die Umwälzpumpe direkt in die Wärmeabgabeeinheit integriert. Somit ist ein kompaktes Bauteil bereitgestellt, welches als Einheit an der Oberfläche der Gondel anordenbar ist.
Vorteilhafterweise ist die Umwälzpumpe Steuer- bzw. regelbar ausgeführt, so dass die Kühlleistung über die Förderleistung der Umwälzpumpe geregelt werden kann. Als Führungsgröße für einen Steuerungs- bzw. Regelungskreis ist beispielsweise eine Statortemperatur, eine Außenlufttemperatur oder eine Windgeschwindigkeit verwendbar. Dadurch kann auch die thermische Wechselbelastung des Stators reduziert und so seine Lebensdauer erhöht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verlust- bzw. Abwärme des Generators zum Erwärmen bzw. Heizen nutzbar. Ein Beheizen bestimmter Teil der Windkraftanlage, wie beispielsweise Getriebe, Lager oder Elektronik, kann unter Tieftemperaturbedingungen, wie beispielsweise im Winter, oder in kalten Gegenden, erforderlich bzw. vor- teilhaft sein. Dabei sind insbesondere die Verbindungsrohre bzw. Verbindungsschläuche des Leitungssystems flexibel ausgestaltet, so dass die Verbindungsschläuche an kälteempfindlichen Bauteilen vorbeigeführt werden können.
Der Generator ist vorzugsweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet, wobei der Generator insbesondere als Scheibenläufergenerator mit einem scheibenförmigen Stator und einem scheibenförmigen Rotor ausgebildet ist. Der Generator kann aber auch als jede andere bekannte elektrische Maschine ausgebildet sein.
Der scheibenförmige Stator und der scheibenförmige Rotor sind derart zueinander angeordnet, dass dadurch ein scheibenarti- ger Luftspalt zwischen Stator und Rotor ausgebildet wird. Der scheibenartige Aufbau der elektrischen Maschine unterscheidet sich dadurch von einem zylinderförmigen Aufbau einer elektrischen Maschine, dass zwar immer noch eine Rotationsbewegung durch die elektrische Maschine ausführbar ist, jedoch die magnetischen Felder über den Luftspalt keine radiale Ausrichtung zur Drehachse hin erfahren, sondern eine Ausrichtung parallel zur Drehachse der elektrischen Maschine. Die derart ausgebildete scheibenförmige elektrische Maschine ist vergleichbar mit einem Linearmotor, welcher auf eine Kreisbahn gezwungen ist.
Der scheibenförmige Stator ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass auf einer Scheibe oder einem Ring einzelne Statorsegmente angeordnet sind. Jedes Statorsegment weist dabei Wicklungen auf, wobei insbesondere zur Ausbildung des scheibenartigen Stators ein für einen Linearmotor verwendbares Primärteil verwendet wird. Dadurch kann ein scheibenförmiger Stator einfach hergestellt werden, in dem einfach Primärteile für Linearmotoren als Module zur Ausbildung des scheibenför- migen Stators genutzt werden.
Der scheibenförmige Rotor weist beispielsweise Permanentmagnet auf, welche gegenüberliegend der Statorsegmente angeord- net sind. Weist der Rotor anstelle der Permanentmagnete lediglich Mittel zur Führung eines magnetischen Feldes auf, wobei dieses Mittel eine Zahnstruktur aufweist, so ist auch diese Zahnstruktur derart auf dem Rotor positioniert, dass die Zahnstruktur dem Teil des Stators gegenüberliegt, welches zur Ausbildung der elektromagnetischen Felder vorgesehen ist. Weist der Rotor keine aktiven Mittel zur Erzeugung magnetischer Felder auf, so können im Stator zwei Mittel, beispielsweise Wicklung und Permanentmagnete, zur Erzeugung magneti- scher Felder angeordnet sein.
Die scheibenförmige Bauweise ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung von Primärteilen von Linearmotoren einen flexiblen und modularen Aufbau der elektrischen Maschine. Dies gelingt insbesondere deswegen, weil derartige Primärteile elektrischer Linearmotoren zur Einzelmontage bzw. zum Einzelanschluss vorgesehen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der beschriebenen Windkraftanlage mit einem in einer Gondel angeordneten Generator und einer Rotornabe, wobei die Rotornabe zumindest ein Rotorblatt aufweist, und einem Wärmetauschersystem weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
a) Aufnahme der Abwärme des Generators mittels eines fluiden Transfermediums von einer Wärmeaufnahmeeinheit, welche innerhalb der Gondel im und/oder am Generator angeordnet ist, b) Übertragung der Abwärme mittels des fluiden Transfermediums über ein Leitungssystem von der Wärmeaufnahmeeinheit an eine Wärmeabgabeeinheit, welche außerhalb der Gondel an deren Oberfläche angeordnet ist, c) Abgabe der Abwärme von der Wärmeabgabeeinheit an einen Kühlluftstrom, wobei das Transfermedium dadurch abgekühlt wird und d) Umwälzen bzw. Umpumpen des Transfermediums zwischen Wärmeaufnahmeeinheit und Wärmeabgabeeinheit mittels einer Umwälzpumpe .
Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt eine Flüssigkeits- Zwangskühlung des Generators. Dabei wird die durch den Strom- fluss im Stator des Generators erzeugte Verlustwärme über einen Flüssigkeitskühlkreislauf abgeführt.
Vorzugsweise ist das fluide Transfermedium Wasser, wobei auch alle weiteren Medien, welche zum Kühlen geeignet sind, verwendet werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird der Kühlluftstrom mittels ein oder mehrerer Luftleitkörper gezielt auf die Wärmeabgabeeinheit, d.h. den Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher, geleitet. Die Luftleitkörper sind dabei im Bereich der Wärmeabgabeeinheit angeordnet, wobei vorteilhafterweise mehrere einzelne Luftleitkörper ring- förmig um die Gondel herum an deren Oberfläche angeordnet sind. Dabei sind die Luftleitkörper entsprechend der Anordnung der Wärmetauscher angeordnet, d.h. jedem Wärmetauscher ist zumindest ein Luftleitkörper zugeordnet.
Mittels der erfindungsgemäßen Windkraftanlage sowie des entsprechenden Verfahrens zum Betrieb der Windkraftanlage wird die Leistungsdichte des Generators im Bemessungspunkt (Sl- Betrieb) durch den Einsatz eines Wärmetauscherssystems mindest um 50 % gegenüber einer selbstgekühlten oder luftzwangs- gekühlten elektrischen Maschine erhöht. Im Vergleich zu selbstgekühlten oder luftzwangsgekühlten Generatoren kann, bei gleichem Generatorbauvolumen und/oder -gewicht, entweder mehr elektrische Leistung im Generator umgesetzt oder die Temperatur des Generators verringert werden.
Bei gegebenem Gondelgewicht und/oder gegebener Gondelgeometrie kann ein Generator der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit Wärmetauschersystem aufgrund seiner höheren Leistungs- dichte mehr Leistung abgeben. Die abgebbare elektrische Leistung ist in der Regel durch die im Stator verwendeten Isola- tionsmaterialen aufgrund der schädigenden thermischen Belastung (im Wesentlichen ohmsche Verluste) begrenzt. Die spezi- fische thermische Belastung (ertragbare Verlustleistung bzw. Temperatur) im Stator ist bei einer elektrischen Maschine mit Flüssigkeits-Zwangskühlung höher als bei einer elektrischen Maschine ohne Flüssigkeits-Zwangskühlung.
Ferner ist die Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines Wind- kraftgenerators in einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage durch das Wärmetauschersystem aufgrund der geringeren thermischen Belastung der verwendeten Isolationsmaterialien überproportional erhöht (überproportional langsame Alterung) . Aufgrund der hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit einer Windkraftanlage über einen Zeitraum von mindestens 20 Jahren kann dies einen markanten wirtschaftlichen Vorteil bringen.
In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
FIG einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage .
Die FIG zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1, wobei ein Längsschnitt insbesondere durch die Gondel 2 der Windkraftanlage 1 dargestellt ist. Die Windkraftanlage 1 weist die Gondel 2 auf, wobei in der Gondel 2 ein Generator 3 angeordnet ist. Der Generator 3 kann als herkömmliche elektrische Maschine oder als auch Scheibenläufer- Maschine ausgebildet sein. An der Gondel 2 ist die Rotornabe 4 angeordnet. An der Rotornabe 4 ist zumindest ein Rotorblatt 5, im vorliegenden Fall jedoch zwei Rotorblätter 5, angeord- net. Üblicherweise sind an der Rotornabe 4 drei zueinander jeweils um 120° beabstandete Rotorblätter 5 angeordnet.
Die Rotornabe 4 ist auf einer horizontalen Achse 14 angeord- net. An die Rotornabe 4 schließt sich konzentrisch zur Achse 14 ein etwa kreisscheibenförmiger Lagerschild 12 an. Der Generator 3 ist ebenfalls konzentrisch an der Achse 14 angeordnet .
Der Generator 3 weist eine Wärmeaufnahmeeinheit 6 auf, wobei die Wärmeaufnahmeeinheit 6 im und/oder am (nicht dargestellten) Stator des Generators 3 angeordnet ist. Die Wärmeaufnahmeeinheit 6 ist mittels eingebauter wärmeleitender Vorrichtungen, wie beispielsweise flüssigkeitsdurchströmte Kühlroh- re, ausgebildet. Die Wärmeaufnahmeeinheit 6 ist nur schematisch dargestellt.
Außerhalb der Gondel 2 an deren Oberfläche 9 ist die Wärmeabgabeeinheit 7, welche insbesondere als Flüssigkeits-Luft- Wärmetauscher ausgebildet ist, angeordnet. Die Wärmeabgabeeinheit 7 kann zum einen ringförmig an der Oberfläche 9 der Gondel 2 um die Gondel 2 herum angeordnet sein. Die Wärmeabgabeeinheit 7 kann aber auch nur teilweise ringförmig um die Gondel 2 angeordnet sein. Je nach Kühlbedarf kann die Wärme- abgabeeinheit 7 durchgängig ringförmig oder nur abschnittsweise angeordnet sein.
Wärmeaufnahmeeinheit 6 und Wärmeabgabeeinheit 7 sind mit dem Leitungssystem 8 miteinander verbunden. Die im Betrieb des Generators 3 entstehende Verlustwärme, wobei diese vorzugsweise im nicht gezeigten Stator, insbesondere in dessen Wickelköpfen, entsteht, wird mittels der Wärmeaufnahmeeinheit 6 durch ein fluides Transfermedium aufgenommen. Das fluide Transfermedium, insbesondere Wasser, wird an die Wärmeabgabe- einheit 7 geleitet, und dort von dem Kühlluftstrom 10 gekühlt. Mittels einer Umwälzpumpe, die vorzugsweise in die Wärmeabgabeeinheit 7 integriert ist, wird das abgekühlte Transfermedium über die Leitungen 8 zurück in den Generator 3 gepumpt. Aufgrund der (nicht gezeigten) Umwälzpumpe wird das Transfermedium stetig umgepumpt.
Weiterhin sind die Luftleitkörper 11 zu sehen, welche den Kühlluftstrom 10 gezielt auf die Wärmeabgabeeinheit 7 leiten. Entsprechend der Ausbildung der Wärmeabgabeeinheit 7 sind ein oder mehrere Luftleitkörper 11 um die gesamte Oberfläche 9 der Gondel 2 oder nur teilweise auf der Oberfläche 9 der Gondel 2 angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Windkraftanlage (1) mit einem in einer Gondel (2) angeordneten Generator (3) und einer Rotornabe (4), wobei die Rotor- nabe (4) zumindest ein Rotorblatt (5) aufweist, und einem
Wärmetauschersystem mit einer Wärmeaufnahmeeinheit (6), einer Wärmeabgabeeinheit (7), einem die beiden Einheiten (6, 7) verbindenden Leitungssystem (8) und einer Umwälzpumpe, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wärme- aufnahmeeinheit (6) innerhalb der Gondel (2) im und/oder am Generator (3) angeordnet ist und die Wärmeabgabeeinheit (7) außerhalb der Gondel (2) an deren Oberfläche (9) angeordnet 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 zwischen Wärmeaufnahmeeinheit (6) und Wärmeabgabeeinheit (7) ein Kühlkreislauf ausgebildet ist, wobei als Transfermedium für zu transportierende Abwärme eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, vorgesehen ist.
3. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 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 im Bereich der Wärmeabgabeeinheit (7) ein oder mehrere Luftleit- körper (11) angeordnet sind, wobei mittels der Luftleitkörper (11) ein Kühlluftstrom (10) gezielt auf die Wärmeabgabeeinheit (7) leitbar ist.
4. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wärmeabgabeeinheit (7) als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher ausgebildet ist.
5. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Generator (3) einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei die Wärmeaufnahmeeinheit (6) im und/oder am Stator angeordnet ist .
6. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wärmeaufnahmeeinheit (6) mittels flüssigkeitsdurchströmten Kühlkanälen, Kühlrohren oder Kühlschlangen ausgebildet ist.
7. Windkraftanlage (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass f lüssigkeitsdurchströmte Kühlrohre in einem Eisen-Blechpaket oder in Wicklungsnuten des Stators angeordnet sind.
8. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wärmeaufnahmeeinheit (6) mittels eines flüssigkeitsdurchströmten Kühlmantels an einer Außenseite des Stators ausgebildet ist.
9. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wär¬ meaufnahmeeinheit (6) in oder an einem Gehäuse des Stators angeordnet ist.
10. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das die Wärmeaufnahmeeinheit (6) und Wärmeabgabeeinheit (7) verbindende Leitungssystem (8) mittels Verbindungsrohren oder Ver- bindungsschläuchen ausgebildet ist.
11. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Umwälzpumpe in die Wärmeabgabeeinheit (7) integriert ist.
12. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Umwälzpumpe Steuer- bzw. regelbar ausgeführt ist, wobei als Führungsgröße für einen Steuerungs- bzw. Regelungskreis eine Statortemperatur, eine Außenlufttemperatur oder eine Windgeschwindigkeit verwendbar ist.
13. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungsrohre bzw. Verbindungsschläuche des Leitungssystems
(8) derart ausgestaltet sind, dass die zu transportierte Ab- wärme an kälteempfindlichen Bauteilen, insbesondere Getriebe, Lager, Elektronik, vorbeigeführt ist, so dass die Abwärme zum Erwärmen der kälteempfindlichen Bauteile verwendbar ist.
14. Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Generator (3) als permanenterregter Synchron-Generator ausgebildet ist, wobei der Generator (3) als Scheibenläufer-Generator mit einem scheibenförmigen Stator und einem scheibenförmigen Rotor ausgebildet ist.
15. Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage (1) mit einem in einer Gondel (2) angeordneten Generator (3) und einer Rotornabe (4), wobei die Rotornabe (4) zumindest ein Rotorblatt (5) aufweist, und einem Wärmetauschersystem, wobei a) Abwärme des Generators (3) mittels eines fluiden Transfermedium von einer Wärmeaufnahmeeinheit (6), welche innerhalb der Gondel (2) im und/oder am Generator (3) angeordnet ist, aufgenommen wird, b) die Abwärme mittels des fluiden Transfermediums über ein Leitungssystem (8) von der Wärmeaufnahmeeinheit (6) an eine Wärmeabgabeeinheit (7), welche außerhalb der Gondel (2) an deren Oberfläche (9) angeordnet ist, übertragen wird, c) die Abwärme von der Wärmeabgabeeinheit (7) an einen Kühlluftstrom abgegeben bzw. übertragen wird, wobei das Trans- fermedium abgekühlt wird und d) das fluide Transfermedium mittels einer Umwälzpumpe zwischen Wärmeaufnahmeeinheit (6) und Wärmeabgabeeinheit (7) umgewälzt bzw. umgepumpt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , dass das fluide Transfermedium Wasser ist .
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kühlluftstrom mit¬ tels ein oder mehrerer Luftleitkörper (11) , welche im Bereich der Wärmeabgabeeinheit (7) angeordnet sind, gezielt auf die Wärmeabgabeeinheit (7) geleitet wird.
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