WO2009050157A2 - Windenergieanlage mit erhöhtem überspannungsschutz - Google Patents

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Abstract

Windenergieanlage und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windenergie mittels der Windenergieanlage mit windkraftantreibbaren Rotor mit Rotorblättern, deren Anstellwinkel mit wenigstens einer elektrisch antreibbaren Verstellvorrichtung zur Beeinflussung der Drehgeschwindigkeit des Rotors verstellbar sind, wobei mit dem Rotor ein Läufer verbunden ist, und der Läufer zusammen mit einem Stator einen Generator ausbildet, und wobei durch den Stator ein in Bezug zum Läufer sich drehendes Magnetfeld erzeugt wird, welches in Zusammenwirkung mit dem in Bezug zur Gondel stillstehenden Läufer einen Stromfluss im Läufer zur Betätigung der Verstellvorrichtung induziert.

Description

Windenergieanlage mit erhöhtem Überspannungsschutz
Die Erfindung betrifft Windenergieanlagen mit einem an einer Gondel drehbar gelagerten Rotor, der eine Nabe umfasst, wobei der Rotor wenigstens eine elektrisch antreibbare Verstellvorrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels wenigstens eines an der Nabe befestigbaren oder befestigten Rotorblattes aufweist und mit einem Läufer verbunden ist, der mit einem Stator zusammen einen Generator zur Stromversorgung der Verstellvorrichtung ausbildet. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mit den erfindungsgemäßen Windenergieanlagen.
Üblicherweise ist für jedes Rotorblatt einer Windenergieanlage ein eigener Verstell- Antrieb vorgesehen. Für Notfälle, wie Ausfall von Komponenten oder der Spannungsversorgung, ist in der Regel eine Notbetriebseinrichtung für das Verstellen der Rotorblätter in eine betriebssichere Position (z.B. Fahnenstellung) vorgesehen. Die Notenergie wird elektrisch, hydraulisch oder mechanisch bereitgestellt.
Die Übertragung von Sensorsignalen und Steuersignalen von der Gondel in die Nabe und umgekehrt wird kabelgebunden realisiert. Aufgrund der drehbaren Nabe müssen alle Signale über Schleifringe geführt werden. Für die elektrische Energieübertragung in die Nabe werden ebenfalls Schleifringe verwendet. Hydraulische Energie wird über eine Drehdurchführung in die Rotorwelle übertragen oder die hydraulische Blattverstellung befindet sich komplett in der Nabe, dann wird die benötigte elektrische Energie ebenfalls über Schleifringe übertragen.
Aufgrund der Kabelverbindungen von Gondel und Nabe können eventuelle Überspannungen durch Blitzeinschlag bzw. durch Fehlfunktionen von der Gondel in die Nabe übertragen werden. Blitzeinschläge in die Rotorblätter werden über die Nabe, die Gondel und den Turm ins Erdreich abgeleitet. Aufgrund der galvanischen Verbindung von Komponenten in der Nabe und mit der Nabe ist es nicht auszuschließen, dass Ableitungen über diese Komponenten und Bauteile erfolgen. Insbesondere die sicherheitsrelevante Baugruppe der Blattverstellung darf jedoch unter keinen Umständen vollständig ausfallen, da sonst Überdrehzahl, Beschädigung und sogar Zerstörung der Windenergieanlage drohen.
Ein herkömmlicher elektrischer Pitchantrieb ist in DE 103 35 575 B4 beschrieben. Die Blattverstellung basiert auf Drehstrommotoren und Frequenzumrichtern (Servoregler). Die Frequenzumrichter werden durch dreiphasigen Drehstrom gespeist und stellen über Gleichrichter einen Gleichspannungszwischenkreis bereit. Aus diesem werden dann Wechselrichter zur Steuerung der Drehstrommotoren gespeist. Für eine Notversorgung ist in der Regel ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen, der den Zwischenkreis speist. Der Energiespeicher kann über Akkumulatoren oder Kondensatoren realisiert werden.
Aus DE 10 2004 005 169 B3 ist bekannt, Gleichstrommotoren für die Blattverstellung zu nutzen.
Neben elektrischen Systemen zur Blattverstellung sind auch hydraulische Systeme z.B. aus DE 101 46 968 A1 bekannt. Das System besteht aus einer Hydropumpe mit elektrischem Pumpenantrieb, einem Druckspeicher, einer Steueranordnung und einem Hydrozylinder. Durch geeignete Ansteuerung über die Steueranordnung und die Druckmittelversorgung des Hydrozylinders wird der Anstellwinkel der Rotorblätter verstellt.
In DE 200 17 994 U1 wird eine Kombination aus elektrischer Einzelblattverstellung und einer hydraulischen Notfallverstellung mit hydraulischer Notenergieversorgung beschrieben.
Aus DE 10 2004 024 563 A1 , DE 100 09 472 C2, DE 200 20 232 U 1 und DE 196 44 705 A1 ist die Verwendung von wellenseitigen Hilfsgeneratoren für die Bereitstellung von Hilfsenergie in der Nabe bekannt. In der Regel ist der Hilfsgenerator in der Rotorwelle so angebracht, dass dessen Rotor über eine Drehfeldwicklung verfügt und in die Welle integriert ist, und der Stator feststehend aus Permanentmagneten oder Erregerwicklungen aufgebaut ist. Vorteilhaft kann der außen liegende Stator auch drehbar angeordnet sein, um die relative Drehgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator (Permanentmagnet) zu variieren und so die elektrische Leistung verändern zu können. Die elektrische Leistung kann ebenfalls über eine geeignete Steuerung der Erregerspannung und - frequenz in Erregerwicklungen eingestellt werden.
Nachteil dieser Lösung ist, dass die wellenseitigen Hilfsgeneratoren ausschließlich für die Notstromversorgung und Fahnenstellung der Rotorblätter genutzt werden.
Aus DE 297 05 011 U1 ist ein Schleifring für die kabelgebundene Übertragung von elektrischer Energie zwischen zwei gegenseitig drehbaren Systemen im Anwendungsfall einer Windkraftanlage beschrieben.
Aus DE 44 45 899 A1 , DE 44 36 197 C2 und DE 195 01 267 A1 sind Blitzschutzeinrichtungen für Windkraftanlagen bekannt. Die Schutzfunktion besteht in der kanalisierten Ableitung von Strömen infolge von Überspannungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windenergieanlage und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mit der Windenergieanlage so zu verbessern, dass die Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung des Blattverstellsystems in der Nabe durch Überspannungen von der Gondel oder durch Blitzeinwirkung über die Blätter stark reduziert wird.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Windenergieanlage gemäß Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windenergie gemäß Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens schließen sich in den jeweiligen Unteransprüchen 2 bis 9 und 11 bis 15 an.
Erfindungsgemäß wird eine Windenergieanlage mit einem an einer Gondel drehbar gelagerten Rotor zur Verfügung gestellt, der eine Nabe umfasst, wobei der Rotor wenigstens eine elektrisch antreibbare Verstellvorrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels wenigstens eines an der Nabe befestigbaren oder befestigten Rotorblattes aufweist und mit einem Läufer verbunden ist, der mit einem Stator zusammen einen Generator zur Stromversorgung der Verstellvorrichtung ausbildet. Erfindungsgemäß ist der Stator derart eingerichtet und ausgebildet, dass mit ihm in Bezug auf den relativ zur Gondel stillstehenden Läufer ein sich drehendes Magnetfeld erzeugbar ist. Das heißt, dass der Rotor eine als Extra-Maschinenelement ausgebildete Nabe umfasst, welche fest mit dem Rotor verbunden ist. Der Rotor ist dabei mit einem Läufer verbunden, was die konstruktive Ausführungsform einer festen Verbindung zwischen Rotor und Läufer einschließt oder auch die Ausführungsform umfasst, dass der Läufer ein integraler Bestandteil des Rotors ist. Wesentliches Merkmal der Verbindung von Rotor und Läufer ist, dass der Läufer im Wesentlichen drehfest am Rotor angeordnet ist. Der Läufer und der Stator bilden zusammen den Hilfsgenerator aus, das heißt, dass der hier genannte Stator nicht als das Gegenstück zum Rotor der Windenergieanlage zur Herstellung der in das Netz einzuspeisenden Energie dient, sondern lediglich zur Energieerzeugung zum Betrieb der Verstellvorrichtungen und gegebenenfalls weiterer Hilfseinrichtungen am Rotor. Der Läufer des Hilfsgenerators ist mit der Verstellvorrichtung elektrisch verbunden. Diese ist bevorzugt eine elektrisch antreibbare Verstellvorrichtung, wobei sie z.B. einen Elektromotor umfassen kann oder auch eine elektrisch betriebene Pumpe für z.B. einen Hydraulikmotor.
In der Ausgestaltungsvariante, in der der Rotor der Windenergieanlage lediglich eine Verstellvorrichtung zur Verstellung mehrerer Rotorblätter umfasst, weist der Rotor Getriebe zur Bewegung der Blätter auf. Zur Stromerzeugung mit dem Hilfsgenerator, der durch Läufer und Stator gebildet ist, wird der Stator mit einer Energiequelle zur Erzeugung des drehenden Energiefeldes verbunden. Die Stromversorgung der Verstellvorrichtung ist somit galvanisch von der Gondel getrennt, so dass ein Überspannungsschutz z.B. bei Blitzeinschlag gewährleistet ist.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung lässt sich realisieren, dass insbesondere bei einem stillstehenden Läufer, wie z.B. bei schwachen Windverhältnissen oder einer Fahnenstellung der Rotorblätter, das drehende Magnetfeld des Stators einen Stromfluss im Läufer induziert, welcher zur Betätigung der Verstellvorrichtungen genutzt werden kann. Es lässt sich somit bei Stillstand des Rotors der Anstellwinkel der Rotorblätter verändern, um diese somit den Windkräften auszusetzen und ein winderzeugtes Drehmoment in den Rotor einzuleiten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist nicht ausgeschlossen, dass mit dem Stator auch ein in Bezug zu einem sich relativ zur Gondel drehenden Läufer ein sich drehendes Magnetfeld ausgebildet werden kann, entweder durch Drehung des Magnetfeldes vom Stator bewirkt, oder bei stillstehendem Stator-Magnetfeld durch Relativdrehung vom Läufer in Bezug zum Stator bewirkt. Bei einem sich drehenden Rotor ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Stator und gegebenenfalls daran vorgesehene Permanentmagneten in Bezug zur Gondel in Ruhe sind und durch die Relativbewegung zwischen Läufer und Stator Strom im Hilfsgenerator induziert wird. Diese Variante des Hilfsgeneratorbetriebes sollte insbesondere dann angewandt werden, wenn z.B. bei zu starkem Wind die Rotorblätteranstellung zu verringern ist.
Zur Ausbildung des durch den Stator erzeugten drehbaren Magnetfeldes sind zwei erfindungsgemäße Varianten entwickelt worden. In einer ersten Ausführungsform lässt sich das drehende Magnetfeld mit Strom durchfließbaren Leitern in Form von Wicklungen am Stator realisieren, wobei die Leiter derart angeordnet sind, dass sie bei Bestromung mit Wechsel- oder Drehstrom ein sich drehendes Magnetfeld erzeugen.
In einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das drehende Magnetfeld durch wenigstens einen drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen Permanentmagneten realisierbar ist. Der Permanentmagnet kann dabei am Stator drehbar angeordnet sein oder es kann vorgesehen sein, dass der Stator, der den Permanentmagneten umfasst, selbst drehbar gelagert ist.
Vorteilhafterweise sollte dabei der Stator derart ausgebildet sein, dass die Drehgeschwindigkeit des drehenden Magnetfeldes einstellbar ist. Dies lässt sich bei Wechsel- oder Drehstrombeaufschlagung durch einen Frequenzregler realisieren. Bei der Ausführungsform mit drehenden Permanentmagneten lässt sich die Drehgeschwindigkeit durch eine Steuerungseinheit zur Beeinflussung der Drehzahl des Antriebsmotors zum Antrieb des Permanentmagneten einstellen.
Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung der Aufgabe dann besonders geeignet, wenn die Windenergieanlage eine Einrichtung zum Schutz der Leiter vor Überspannung aufweist und eine galvanische Trennung der stromführenden Teile der Verstellvorrichtung in Bezug zum Rotor ausgeführt ist.
Vorteilhafterweise umfasst die Windenergieanlage eine nicht am Rotor angeordnete zentrale Steuerung, wobei die Verstellvorrichtung zum Empfang und Verarbeitung kabellos übertragener Signale eingerichtet ist und die Windenergieanlage wenigstens eine Signalübertragungseinheit zur kabellosen Übertragung der Signale der zentralen Steuerung an die Verstellvorrichtung umfasst. Zu diesem Zweck sollten Funkschnittstellen an der zentralen Steuerung und der Verstellvorrichtung angeordnet sein.
Um Überspannungsschäden zu vermeiden, bietet es sich an, dass die Nabe als Faradayscher Käfig ausgebildet ist.
Um eine Energie-Autarkie zu gewährleisten, kann die Windenergieanlage in vorteilhafter Ausgestaltung in der Gondel und/oder der Nabe eine Notfall- Energieversorgungseinrichtung umfassen.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windenergie mittels einer Windenergieanlage mit Windkraft antreibbarem Rotor mit Rotorblättern, deren Anstellwinkel mit wenigstens einer elektrisch antreibbaren Verstellvorrichtung zur Beeinflussung der Drehgeschwindigkeit des Rotors verstellbar sind, wobei mit dem Rotor ein Läufer verbunden ist, und der Läufer zusammen mit dem Stator einen Generator ausbildet, zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäß wird durch den Stator ein in Bezug zum Läufer sich drehendes Magnetfeld erzeugt, welches in Zusammenwirkung mit dem in Bezug zur Gondel stillstehenden Läufer einen Stromflussläufer zur Betätigung der Verstellvorrichtung induziert. Das heißt, dass das Verfahren während des Betriebes der Windenergieanlage zur Stromerzeugung durchgeführt wird, wobei sich unter Zuhilfenahme der Verstellvorrichtungen die Anstellwinkel der Rotorblätter verändern. Das geschilderte erfindungsgemäße Verfahren kann mit der hier dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen. Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf die Energieversorgung der Verstellvorrichtung bei in Bezug zur Gondel still stehendem Rotor, wobei damit die Situation gemeint ist, dass keine Rotation des Rotors erfolgt und nicht eine konstruktive Ausgestaltung, die eine Rotation des Rotors in Bezug zur Gondel ausschließt.
Dabei kann das drehende Magnetfeld durch Bestromung von Leitern in Form von Wicklungen am Stator mit Wechsel- oder Drehstrom realisiert werden. Alternativ kann das drehende Magnetfeld durch wenigstens einen drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen Permanentmagneten realisiert werden.
Zur Beeinflussung des mittels des drehenden Magnetfeldes erzeugten Stromes bzw. der dadurch erzeugten elektrischen Energie wird die Drehgeschwindigkeit des drehenden Magnetfeldes während der Drehung verändert.
Vorteilhafterweise werden Signale zur Betätigung der Verstellvorrichtung an diese kabellos übertragen, um eine vollständige galvanische Trennung zwischen Rotor und Gondel zu gewährleisten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dadurch vorteilhaft ausgebildet, dass das drehende Magnetfeld bei Stillstand des Rotors zur Strominduzierung zur Betätigung der Verstellvorrichtung erzeugt wird. Es lässt sich somit insbesondere bei 0° Anstellwinkel der Rotorblätter (Fahnenstellung der Rotorblätter) zum Zweck des Stillstandes des Rotors und damit des Stillstandes des Läufers die Blätter bei gewünschter WiederInbetriebnahme der Windenergieanlage mittels der Verstellvorrichtung in einem Winkel angestellt werden. Zu diesem Zweck muss die Verstellvorrichtung mit Energie versorgt werden, wozu das vom Stator erzeugte drehende Magnetfeld einen Strom im Läufer selbst bei Stillstand des Läufers induzieren kann.
Erfindungsgemäß sollen die gesamte Kommunikation zwischen dem festen Bereich der Windenergieanlage (Turm und Gondel) und dem drehbaren Bereich (Nabe) über geeignete kabellose Übertragungskanäle erfolgen. Hierfür sind Sende- und Empfangseinheiten in der Nabe und in der Gondel und/oder Turm vorgesehen.
Beispielsweise können Funkverbindungen über bekannte Systeme wie Bluetooth (IEEE 802.15.1 ), WLAN (IEEE 802.11 ), ZigBee (IEEE 802.15.4) oder Wireless FireWire (IEEE 802.15.3) realisiert werden. Gleichermaßen können Funkstandards eingesetzt werden, die erst in Zukunft veröffentlicht werden. Es wäre ebenfalls möglich, eine eigene Funkschnittstelle zu konzipieren, der Aufwand wird dabei als hoch eingeschätzt. Digitale Funkschnittstellen sind aufgrund der geringeren Störanfälligkeit und der besseren Implementierbarkeit in die Steuer- und Sensortechnik vorzuziehen, es ist jedoch auch eine analoge Funkverbindung denkbar. Alternativ können auch andere Verfahren zur kabellosen Übertragung von Daten wie z.B. eine Infrarotschnittstelle eingesetzt werden.
Eine geeignete Umsetzungsform sieht MikroController für die einzelnen Blattverstellsysteme und die Steuerung der Windenergieanlage vor. Statt MikroControllern können auch adäquate Steuerungen basierend auf SPS, Computertechnik oder andere eingesetzt werden. Die Steuerzentrale und die verteilten Blattverstellsysteme verfügen über Funkschnittstellen zur Kommunikation. Dabei soll jede Blattverstellung zumindest mit der zentralen Steuerung kommunizieren können. In weiteren Bauformen ist auch eine zentrale Funkschnittstelle für alle Blattverstellsysteme oder auch die Kommunikation der Blattverstellsysteme untereinander über die Funkschnittstellen denkbar.
Direkt in der Nabe können Umgebungssensoren (Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit usw.), Sensoren zur Blattverstellung (Winkelposition, Verstellgeschwindigkeit) und Sensoren zum allgemeinen Betrieb (Rotordrehzahl) sowie weitere nicht aufgeführte Sensoren angebracht sein. Diese Sensoren oder Sensorgruppen verfügen entweder über eigene Funkschnittstellen, oder sind in bevorzugter Ausführung mit der Steuerung eines jeweiligen Blattsystems verbunden und damit über dessen Funkschnittstelle für die zentrale Steuerung und die anderen Blattverstellsysteme zugänglich.
Die Steuervorgaben und die Statusmeldungen werden über die bidirektionale Funkschnittstelle zwischen der zentralen Steuerung und den Blattverstellsystemen übermittelt.
Für die Funkübertragung von Signalen werden im Allgemeinen Antennen eingesetzt. Diese sind so zu wählen, dass die Übertragung der Signale störungsfrei oder -arm erfolgen kann. Die Antennen sind entweder innerhalb der Gondel und innerhalb der Nabe angebracht oder in einer weiteren Bauform über Kabelverlängerungen an der Außenseite von Gondel und Nabe angebracht. Auf diese Weise können funkstörende Abschirmungen insbesondere der Nabe umgangen werden. Als eine alternative Ausführungsform erfolgt die kabellose Datenübertragung zwischen zentraler Steuerung und Nabe optisch. Dazu werden beispielsweise Infrarotschnittstellen angeordnet.
Die Notfallenergieversorgung für den Fall eines Spannungsausfalls bzw. eines anderen gravierenden Fehlers ist in der Gondel oder in der Nabe untergebracht.
Die Notenergieversorgung kann z.B. über die Erregerwicklungen der Hilfsgeneratoren weiterhin ein rotierendes Magnetfeld aufrechterhalten und so die Versorgung mit elektrischer Leistung in der Nabe gewährleisten. Es ist ebenfalls möglich, eine elektrische Notenergieversorgung in der Nabe anzuordnen. Vorteilhaft ist dann die separate Versorgung der einzelnen Blattverstellsysteme für eine größtmögliche Betriebssicherheit. In einer weiteren Bauform können für eine redundante Ausführung auch Notenergieversorgungen in der Gondel und in der Nabe vorgesehen sein.
Die Nabe wird als Faradayscher Käfig ausgeführt. Die Metallnabe wird möglichst kugelförmig gestaltet. Ansatzöffnungen für die Blattbefestigung und Wartungseinstiege werden über geeignete Gitter- bzw. Blechkonstruktionen zur Komplettierung des Käfigs verschlossen. Alle Komponenten in der Nabe werden galvanisch isoliert zur Nabe und damit zum Faraday-Käfig befestigt. Dadurch kann das Risiko einer Ableitung von blitz- oder fehlerverursachten Überspannungen über sicherheitsrelevante Bauteile der Blattverstellung vermieden werden. Für die notwendige hohe Kriechstromfestigkeit wird die Schutzisolation durch geeignete Befestigungsmaterialien in Verbindung mit Isolationsstrecken oder Luftstrecken umgesetzt.
Durch die erfindungsgemäßen Merkmale steigt die Verfügbarkeit der Blattverstellung und damit die Gesamtsicherheit der Anlage. Zusätzlich wird durch die konsequente Potentialtrennung von Gondel und Nabe eine mögliche Grundpotentialverschiebung in der Nabe und dadurch eine potentielle Fehlerquelle vermieden. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt Betriebsteile von Gondel und Rotor einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage. Sie ist als eine Realisierungsmöglichkeit von verschiedenen Bauformen und Ausführungsformen zu verstehen.
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Nabenkonstruktion als Faraday-Käfig mit den dazu zusätzlich isolierten elektrischen Komponenten.
Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt einen Rotor 1 und wesentliche Bestandteile der Gondel 2 einer Windenergieanlage. Es ist eine Nabe 3 mit verstellbaren Rotorblättern 4 dargestellt. Die Rotorblätter 4 sind drehbar in einem Lager 5 gelagert und können um die Drehachse 6 in Drehrichtung 7 verstellt werden. Innerhalb der Nabe 3 sind die Rotorblätter 4 beispielhaft über je einen Elektromotor 8 und je ein Getriebe 9 drehbar. Alternativ können für ein Rotorblatt 4 auch ein Antrieb für mehrere Rotorblätter 4 bzw. mehrere Antriebe für ein Rotorblatt 4 verwendet werden, diese Alternativen wurden nicht dargestellt. Es ist ebenfalls möglich, andere Antriebsarten als eine Kombination aus Motor 8 und Getriebe 9 zu verwenden wie z.B. hydraulische Systeme, diese Alternativen wurden ebenfalls nicht dargestellt. Gemäß Fig. 1 werden die Elektromotoren 8 durch Umrichter 10 gespeist und gesteuert. Im Notfall eines Spannungsabfalls werden die Zwischenkreise der Umrichter 10 durch elektrische Energiespeicher 11 gestützt und erlauben eine sichere Positionierung der Rotorblätter 4 in die Fahnenstellung 12 (gestrichelt dargestellt). Als Energiespeicher 11 ist der Einsatz von verschiedenen Akkumulatortypen und Kondensatoren bekannt.
In Fig. 1 werden weitere Komponenten der Nabe 3 aufgeführt. Hierzu gehören Sensorsysteme 13, eine oder mehrere Funkschnittstellen 14 und eine zentrale Kommunikationseinheit 15. Sensorsysteme 13 können direkt an steuernde Umrichter 10 angeschlossen sein und dabei einem oder mehreren Verstellsystemen zur Verfügung stehen, in der Zeichnung ist diese alternative Ausführung nicht dargestellt. Zusätzliche Sensorsysteme 13 können an eine zentrale Kommunikationseinheit 15 für den Zugriff durch die zentrale Steuerung ZS gekoppelt sein, oder über eigene Kommunikationsschnittstellen verfügen (nicht dargestellt). Die Kommunikationseinheit 15 bündelt und verwaltet die Kommunikation der Nabenkomponenten mit der zentralen Steuerung ZS. Die Datenübertragung erfolgt über die Funkschnittstelle 14. In einer weiteren, nicht dargestellten Bauform können die Komponenten auch über jeweils eigene Funkschnittstellen verfügen. Die Verbindung 16 der einzelnen Nabenkomponenten kann über Kabel, Funkschnittstellen oder andere geeignete Übertragungswege erfolgen.
Die Nabe ist mit einer Rotorwelle 17 verbunden, die in Fig. 1 als horizontale Hohlwelle ausgeführt ist. Die Welle wird durch eine Lagerung 18 drehbar gelagert. Die Lager sind mit dem Tragsystem 19 fest verbunden. Über ein Getriebe 20 ist die Rotorwelle 17 mit dem Hauptgenerator G verbunden. Ein Hilfsgenerator HG ist in der Hohlwelle angebracht und erzeugt elektrische Leistung im Generatorbzw. Transformatorbetrieb. Die elektrische Verbindung zu den Nabenkomponenten erfolgt durch elektrische Leitungen 21 , die sich genau wie Nabe 3 und Hilfsgenerator HG mit dem Rotorsystem 1 mitdrehen und so die Verwendung von Schleifringen unnötig machen. Die galvanische Trennung ist damit gewährleistet.
Das Erregungssystem 22 für die Erzeugung eines Magnetfeldes für den Hilfsgenerator HG kann aus Permanentmagneten oder Erregerwicklungen bestehen. Für eine ausreichende Energieerzeugung für die Komponenten der Nabe 3 kann das Erregungssystem 22 ein drehbar gelagerter Permanentmagnet sein und über Eigenrotation die Energieversorgung auch bei Stillstand des Rotors 1 gewährleisten. Werden in einer alternativen Ausführungsform Erregerwicklungen im Erregersystem 22 vorgesehen, so kann über eine geeignete Beschaltung/Steuerung 23 z.B. durch das zentrale Steuersystem ZS im Generatorbetrieb bzw. bei Stillstand im Transformatorbetrieb elektrische Leistung über den Hilfsgenerator HG mittels Drehung des mit den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes in die Nabe 3 übertragen werden. So lassen sich auch bei Stillstand der Windenergieanlage beziehungsweise des Rotors die Rotorblätter mittels der Verstellvorrichtung 9' anstellen, um ein Drehmoment in den Rotor einzuleiten und den Rotor anzutreiben.
Das zentrale Steuersystem ZS übernimmt in einer favorisierten Ausführungsform die Steuerung der Komponenten in der Gondel und in der Nabe 3. Möglich wäre auch eine nicht dargestellte dezentrale Steuerung. Die zentrale Steuerung ZS ist über eine Funkschnittstelle 24 bzw. eine andere nicht kabelgebundene Schnittstelle und die analoge Schnittstelle 14 in der Nabe 3 mit den Sensorsystemen 13 und den Motorsteuerungen 10 für die Blattverstellung bidirektional verbunden. In der dargestellten Bauform wird eine zentrale Kommunikationseinheit 15 in der Nabe 3 verwendet.
In Fig. 2 wird die elektrisch und elektromagnetisch abgeschirmte Nabe 3 durch Umsetzung als Faraday-Käfig zusammen mit der galvanischen Entkopplung der elektrischen Komponenten gezeigt. Der erfindungsgemäße Schutz vor Überspannungen und deren Folgen wird durch eine galvanische Schutz-Isolation IS aller elektrischer Komponenten und der Ausführung der Nabe 3 als Faraday- Käfig durch einen metallischen Außenschirm AS umgesetzt.
Produktionsbetrieb
Im Produktionsbetrieb erzeugt die Windenergieanlage elektrische Energie und speist diese in das Stromnetz ein. Die zentrale Steuerung ZS erfasst die Kenndaten der erzeugten elektrischen Energie, die Anforderungen des Netzbetreibers, die Umgebungsbedingungen wie die Windstärke und -richtung und Betriebszustände und eventuelle Fehler von den Subsystemen und Komponenten. Im Weiteren wird nur auf die Steuerungs- und Regelungsmöglichkeit durch die Verstellung der Rotorblätter 4 eingegangen. Die zentrale Steuerung ZS erfasst die Windgeschwindigkeit, die Rotordrehzahl und die Stellung der Blätter. Je nach Regelanforderung (Begrenzung der Drehzahl oder optimale Ausnutzung der Windenergie) werden Sollwerte für die Blattpositionen ermittelt. Über die bidirektionale drahtlose Verbindung 14 und 24 von zentraler Steuerung ZS und der Kommunikationseinheit 15 in der Nabe 3 werden die Sensordaten (Istwert Blattstellung) permanent und die Sollwerte bei Bedarf übermittelt. Die Blattverstellung wird dann durch die Umrichter 10 vorgenommen. Die Energie für Verstellung, Sensoren und Kommunikation in der Nabe wird durch den Hilfsgenerator HG in beschriebener Weise bereitgestellt.
Gleichzeitig überwacht die zentrale Steuerung ZS eventuell auftretende Fehler oder kritische Betriebszustände. Fehlermeldungen für Fehler von Bauteilen in der Nabe werden über die drahtlose Verbindung 14 und 24 an die zentrale Steuerung ZS übermittelt. Bei schweren Fehlern kann eine Notbremsung, bei anderen Fehlern eine kontrollierte Bremsung bis zum Stillstand der Anlage notwendig sein. Gebremst wird die Windenergieanlage in der Regel durch Verstellen der Blätter 4 in die Fahnenstellung 12. Anlagen mit zwei oder mehr Rotorblättern 4 verfügen aus Sicherheitsgründen in der Regel über jeweils eigene Verstelleinrichtungen, bei Ausfall eines Systems können die übrigen Blätter 4 in die Fahnenstellung 12 gebracht werden und können so die Anlage zum Stillstand bringen oder zumindest vor einer Überdrehzahl schützen.
Notbetrieb
Sollte der schwere Fehler des Ausfalls der Netzspannung auftreten, so muss die Anlage sofort bis zum Stillstand abgebremst werden. Falls die zentrale Steuerung ZS und die Erregung des Hilfsgenerators HG durch Notfallenergiespeicher (nicht eingezeichnet) gestützt wird, kann die zentrale Steuerung ZS den Ausfall der Netzspannung detektieren und die Blattverstellung in der Nabe 3 durch eine Sollwertvorgabe der Blattposition in Fahnenstellung 12 ausführen lassen.
Falls das Erregungssystem 22 des Hilfsgenerators HG nicht von einem Notenergiespeicher gestützt wird oder durch einen Defekt im Erregungssystem 22 oder im Hilfsgenerator HG selbst der Hilfsgenerator HG ausfällt, wird der Ausfall der Energieversorgung in der Nabe 3 registriert. In diesem Fall wird durch die Umrichter 10 unter Nutzung der lokalen Notenergiespeicher 11 eine Notfahrt der Rotorblätter 4 in die Fahnenstellung 12 durchgeführt. Falls die drahtlose Kommunikation 14 und/oder 24 ausfällt, wird dies ebenfalls in der Nabe 3 erkannt (z.B. durch Kommunikationseinrichtung 15) und automatisch eine Notfahrt durch die Umrichter 10 in Fahnenstellung 12 ausgeführt. Bezugszeichenliste
Rotor
Gondel
Nabe
Rotorblätter
Lager
Drehachse
Drehrichtung
Elektromotor
Getriebe ' Verstellvorrichtung 0 Umrichter 1 Energiespeicher 2 Fahnenstellung 3 Sensorsysteme
Funkschnittstelle 5 Kommunikationseinheit6 Verbindung 7 Rotorwelle 8 Lagerung 9 Tragsystem 0 Getriebe 1 elektrische Leitungen2 Erregungssystem 3 Beschaltung/Steuerung
Funkschnittstelle S zentrale Steuerung Hauptgenerator G Hilfsgenerator galvanische Schutz-IsolationS Außenschirm

Claims

Patentansprüche
1. Windenergieanlage mit einem an einer Gondel drehbar gelagerten Rotor, der eine Nabe umfasst, wobei der Rotor wenigstens eine elektrisch antreibbare Verstellvorrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels wenigstens eines an der Nabe befestigbaren oder befestigten Rotorblattes aufweist und mit einem Läufer verbunden ist, der mit einem Stator zusammen einen Generator zur Stromversorgung der Verstellvorrichtung ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass mit ihm in Bezug auf den relativ zur Gondel stillstehenden Läufer ein sich drehendes Magnetfeld erzeugbar ist.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das drehende Magnetfeld durch stromdurchfließbare Leiter in Form von Wicklungen am Stator realisierbar ist, wobei die Leiter derart angeordnet sind, dass sie bei Bestromung mit Wechsel- oder Drehstrom ein sich drehendes Magnetfeld erzeugen.
3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das drehende Magnetfeld durch wenigstens einen drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen Permanentmagneten realisierbar ist.
4. Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator derart ausgebildet ist, dass die Drehgeschwindigkeit des drehenden Magnetfeldes einstellbar ist.
5. Windenergieanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage eine Einrichtung zum Schutz der Leiter vor Überspannung aufweist.
6. Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine galvanische Trennung der stromführenden Teile der Verstellvorrichtung in Bezug zum Rotor ausgeführt ist.
7. Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine nicht am Rotor angeordnete zentrale Steuerung (ZS) aufweist und die Verstellvorrichtung zum Empfang und Verarbeitung kabellos übertragener Signale eingerichtet ist, wobei die Windenergieanlage wenigstens eine Signalübertragungseinheit zur kabellosen Übertragung der Signale der zentralen Steuerung an die Verstellvorrichtung umfasst.
8. Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe als Faradayscher Käfig ausgebildet ist.
9. Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gondel und / oder der Nabe eine Notfallenergieversorgungseinrichtung angeordnet ist.
10.Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windenergie mittels einer Windenergieanlage mit windkraftantreibbaren Rotor mit Rotorblättern, deren Anstellwinkel mit wenigstens einer elektrisch antreibbaren Verstellvorrichtung zur Beeinflussung der Drehgeschwindigkeit des Rotors verstellbar sind, wobei mit dem Rotor ein Läufer verbunden ist, und der Läufer zusammen mit einem Stator einen Generator ausbildet, und wobei durch den Stator ein in Bezug zum Läufer sich drehendes Magnetfeld erzeugt wird, welches in Zusammenwirkung mit dem in Bezug zur Gondel stillstehenden Läufer einen Stromfluss im Läufer zur Betätigung der Verstellvorrichtung induziert.
11.Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das drehende Magnetfeld durch Bestromung von Leitern in Form von Wicklungen am Stator mit Wechsel- oder Drehstrom realisiert wird.
12. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das drehende Magnetfeld durch wenigstens einen drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen Permanentmagneten realisiert wird.
13. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie nach wenigstens einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit des drehenden Magnetfeldes während der
Drehung verändert wird.
14. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie nach wenigstens einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass Signale zur Betätigung der Verstellvorrichtung an diese kabellos übertragen werden.
15. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie nach wenigstens einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass das drehende Magnetfeld bei Stillstand des Rotors zur Strominduzierung zur Betätigung der Verstellvorrichtung erzeugt wird.
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