WO2010054844A2 - Method for operating a wind turbine and wind turbine - Google Patents

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WO2010054844A2
WO2010054844A2 PCT/EP2009/008156 EP2009008156W WO2010054844A2 WO 2010054844 A2 WO2010054844 A2 WO 2010054844A2 EP 2009008156 W EP2009008156 W EP 2009008156W WO 2010054844 A2 WO2010054844 A2 WO 2010054844A2
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a wind power plant and a wind turbine, comprising a tower anchored in the foundation and a rotor-mounted nacelle and a compressor arranged in the nacelle compressor unit, which is connected to a compressed air reservoir, comprises the compressed air storage to equalize the output-side energy production, the compressed air for conversion into electrical energy to an electric generator outputs.
  • the effort is based on the fact that wind is an intermittent source of energy, with the problem of discontinuous power production, which is based on the varying supply of wind.
  • Such generated electricity is not available regularly and as needed, even in areas with high wind resources.
  • the wind turbines are therefore often throttled to respond to fluctuations in wind energy.
  • control energy is also required, for which a very large proportion of the installed wind power must often be provided.
  • the transmission options are very limited in many locations, and new lines are expensive and difficult, if any, to build. To overcome these difficulties, wind energy is made storable so that it is available on demand.
  • CAES compressed Air Energy Storage
  • compressed air storage power plants ie a compressed air storage have become known with a storage capacity of hours to days (see, for example, "The Book of Synergy - Part C - compressed air storage (pneumatic storage).”
  • compressed air storage power plants It uses the energy contained in compressed air, and in off-peak periods, it uses an electrically-driven compressor to store compressed air in an underground cavern at peak load, ie in periods of high energy demand.
  • the compressed air is fed into a gas turbine, which, because of the missing compressor, delivers its full power to the coupled generator, and as heat expands to prevent the turbines from icing as the air expands, it becomes a combination of compressed air storage and gas turbine power plant used Power generated in such technically complex power plants is very expensive and is therefore used only at certain times to cover peak loads.
  • the wind turbine is equipped with wind-driven, proprietary compressors instead of the usual in the nacelles generators.
  • the wind turbines thus produce no electricity, but win directly with the arranged in the nacelle air compressor compressed air.
  • the turbines of the DWPS wind turbine convert the kinetic energy of the wind directly into potential energy from compressed air without the help of generators in the nacelles.
  • the compressed air is used in underground pipelines, in geological storage media such as salt flats, empty gas and Oil fields or stored in suitable cave systems.
  • geological storage media such as salt flats, empty gas and Oil fields or stored in suitable cave systems.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method and a wind turbine of the type mentioned above, which allow more efficient operation and a much simpler and location-independent design especially for medium-term energy production intervals (in hours).
  • the fluctuation and discontinuity of the wind can be evened up to several hours, ie compensated.
  • the structurally indispensable tower thus gets a further use, according to the invention as a memory or compressed air storage.
  • the tower can be isolated at the same time in a simple manner, making it also thermally, ie against heat loss, more efficient.
  • the compressed air storage is combined for operation with a heat storage.
  • the heat accumulator is integrated in the tower interior for temporary storage of the compressed air.
  • the tower of the wind turbine thus fulfills a dual function, namely on the one hand the inclusion of air under pressure and on the other hand, the inclusion of the heat storage, so that no separate pressure vessel is needed for this.
  • the heat accumulator hot compressed air is supplied from the compressor unit.
  • the heat storage takes up heat from the hot compressed air, whereby the air density of the compressed air increases and thus a larger compressed air mass can be stored in the tower.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the air flowing out of the heat accumulator compressed air is passed through an expansion machine.
  • the expansion machine which can directly drive a generator to generate electricity, is powered by expansion of the compressed air.
  • the compressed air flows through the heat storage and thereby absorbs heat, which increases the energy available for the expansion of the compressed air and advantageous ice formation is avoided in the expansion machine.
  • a machine can be provided, which serves as a compressor as well as for expansion.
  • the temperature control of the stored compressed air in the tower according to the invention provided that the exiting from the heat accumulator, hot compressed air is mixed with taken directly from the tower storage, cold compressed air. This measure is particularly recommended for additionally electrically reheated heat storage mass.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that all or at least several wind turbines of a wind farm feed the cached compressed air in the towers on a central air motor with coupled speed constant asynchronous generator. It is thus a simple, variable-speed operation of the wind turbine with decoupling the constant speed (frequency) of the downstream, the energy contained in the compressed air into electrical energy converting, electric generator possible. All or several wind turbines of a wind farm can supply their compressed air to the central compressed air motor with coupled asynchronous generator without reducing electrical losses and increasing efficiency.
  • asynchronous generators are very simple, robust and low-maintenance generators and produce a higher-quality electrical current at significantly lower costs.
  • the invention opens up a storage and energy management in the network of several wind turbines in the wind farm or in the network of several wind farm projects with a multitude of new possibilities and a mode of operation in various modes.
  • the intermediate energy storage in the tower with parallel generation of electrical energy at the asynchronous generator the intermediate storage of energy in the tower, in the bypass the production of electrical energy at the asynchronous generator or special operating modes, eg partial load operation, peak load operation (overload operation), operation in case of short circuit (network faults) , Operation to support the supply network or for wind farm regulation and optimization.
  • the object underlying the invention is achieved with a device according to the invention in that the tower is sealed to the outside formed as tower memory and the connected via a drive shaft with the interposition of a gearbox with the rotor compressor unit connected to the tower memory pressure line, wherein the tower memory according to a preferred embodiment of the invention is connected to a unit of a compressed air motor with coupled constant-speed asynchronous generator.
  • the tower memory according to a preferred embodiment of the invention is connected to a unit of a compressed air motor with coupled constant-speed asynchronous generator.
  • Wind direction tracking with integrated compressed air transfer from the compressor unit to the tower memory is formed. Since there is no power electronics to be triggered in the energy unit, complex and expensive blade adjustment systems can be dispensed with. Rather, simple stable regulations (passive blade controls) are sufficient, because elaborate control intervention by the rotor blades can be dispensed with.
  • the wind direction tracking has a mounted above the sealed tower segment slewing ring, which is optionally equipped with active (motor) or passive wind direction tracking unit. Next is in this upper tower-gondola connection element, the compressed air inlet valve (check valve) together with a heat recovery unit.
  • the heat recovery unit serves to increase the efficiency and to preheat the compressed air in the tower for the expansion process in the air motor.
  • the heat recovery works according to the heat exchanger principle in heat pump technology while dissipating the heat of the compressor through the tower gondola connection element to the compressed air in the tower storage.
  • a compressor stage can be installed here in the tower-gondola connector.
  • the compressed air lines are installed in twisting technology in the wind direction tracking segment with integrated compressed air transfer (tower-gondola connection element). This allows up to three and a half revolutions of the nacelle, each in both directions of rotation of the nacelle.
  • an existing from a heat-resistant and flow-through material heat storage is integrated in the tower memory.
  • the heat storage consists for example of stacked perforated bricks, which are flowed through by the compressed air during the introduction into and during the discharge from the tower storage in the opposite direction.
  • the fact that the heat storage is formed as an integral part of the tower storage, eliminating the additional arrangement of an external pressure vessel.
  • an underground storage reservoir can be provided according to the invention, which is connected via pressure lines to the tower storage. This offers on the one hand the possibility of switching the underground storage reservoir with the same overpressure to the tower storage in parallel, wherein the heat storage remains despite increased storage capacity in the tower memory.
  • the underground reservoir can be under higher pressure than the tower memory, whereby a two-stage compression and expansion of the compressed air takes place. It can thus be an operation of the wind turbine with a arranged between the tower storage and the underground storage reservoir compressor and expansion station, which can advantageously have a second heat storage and / or a cooler for the compression and a firing device for the expansion of the air.
  • the individual wind turbines of a wind farm can be connected to a shared, underground storage reservoir, in which case a central compressor and expansion station is provided which is supplied with electrical energy, for example from the generators of the wind turbines.
  • An alternative embodiment of the wind turbine according to the invention provides that in the gondola in addition to the rotor axis connected to the transmission, switchable expansion machine is arranged and the transmission is the output side connected to a generator and this downstream, also switchable compressor. Wind energy drives the generator via the rotor and feeds electrical energy into a power grid. In times of excess wind energy, compressed air is additionally fed into the tower reservoir via the switchable compressor. For short periods of lack of wind energy, the stored and heated when flowing through the heat accumulator compressed air is supplied to the expansion machine. The expansion machine, which is subsequently set in rotation by expansion of the compressed air, then drives the generator to generate electrical energy.
  • both the switchable compressor and the switchable expansion machine with the tower memory via pressure lines is connected.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a wind turbine in the construction with a horizontal axis of rotation (horizontal rotor).
  • a tower with a vertical axis of rotation vertical runner
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a wind turbine in the construction with a horizontal axis of rotation (horizontal rotor), in which a heat storage is integrated;
  • Fig. 3 is a schematic diagram of the wind turbine of FIG. 2, which in contrast is additionally connected to an underground compressed air storage.
  • FIG. 1 From a wind power plant operated by the figure 1 shows a schematic diagram of a detail of a wind farm 1, a wind turbine 2 as a wind turbine. This has a bottom side anchored in the foundation 3 tower 4, on top of which a nacelle 5 is arranged. A rotor blade 6 or rotor of the wind energy plant 2 is mounted in a rotor hub 7 of the nacelle 5.
  • the rotor blade 6 is connected via a drive shaft 8 with brake unit with the interposition of a transmission 9 with a compressor unit 10. This is assigned to a control and monitoring unit 11.
  • the wind turbine 2 is independent of geological conditions, such as caverns or the like underground cavities, because the tower 4 itself is completely sealed to the outside and formed in its interior as a tower memory 12 for feeding generated with the compressor unit 10 compressed air. From the compressor unit 10 leads to a pressure line 13 in the tower memory 12, wherein the compressed air transfer is formed in a nacelle 5 at the upper tower end bearing Wind therapiessnach arrangement 14.
  • the wind turbine 2 or all or several wind turbines of a wind farm 1 feed the buffered compressed locally in the tower memory 12 compressed air via a pressure-valve manifold connection unit 15 to a consisting of a compressed air motor with constant-speed asynchronous generator Unit 16.
  • the unit 16 may, as indicated in the drawing as a black box, be provided separately in the parking area. It is locally independent and planning-specific to place the most effective location in the wind farm 1 and performs the tasks of bundling the pressure energy of all wind turbines, energy conversion, transformation (substation) and as an electrical transfer point to direct the electricity generated by lines in the power grid , In this independent generator part of the wind farm 1, the pressure lines 17 of the individual wind energy or wind turbines are bundled and treated the compressed air (refined).
  • the pneumatic motor pneumatic motor
  • the conventional electrical transfer stations, the switchgear and a transformer are still integrated there.
  • connection unit 15 from pressure transfer from the sealed tower 4 to the distributor also includes all required measurement and safety technology.
  • the valves and a monitoring unit ensure that the air pressure is delivered at the correct level to the distributor, which connects the relevant wind power / wind energy plant 2 to the pressure line network 17, as indicated schematically by a dashed line, with the unit 16 of compressed air motor and asynchronous motor.
  • the electrical connection supply for tax purposes of the wind power in / indenergystrom 2 is housed here.
  • FIG. 1 An alternative embodiment of a wind turbine 200 is shown in FIG. This has a bottom side anchored in the foundation 300 tower 400, on top of a gondola 500 is arranged. A rotor blade 600 or rotor of the wind turbine 200 is mounted in a rotor hub 700 of the nacelle 600.
  • the rotor blade 600 is connected to a transmission 900 via a drive shaft 800. Furthermore, the transmission 900 is in operative connection with a power-generating generator 18 and a switchable compressor 19. In addition, the transmission 900 is connected via a drive shaft 20 with a connectable expansion machine 21.
  • the tower 400 itself is completely sealed to the outside and formed in its interior as a tower memory 22 for feeding generated with the switchable compressor 19 compressed air. Furthermore, a heat accumulator 23 is integrated in the tower storage 22. Both the tower storage 22 and the heat storage 23 are connected via pressure lines 24 a, 24 b, 25 to the compressor 19 and the expansion machine 21.
  • the rotor blade 600 is set in rotation and, consequently, driven therewith via the gear 900 of the generator 18, whereby electrical energy is fed into a connected power grid, for example an island power grid.
  • the compressor 19 In times of excess wind energy, in addition to the generator 18, the compressor 19 is driven, which then fills the tower reservoir 22 with compressed air. In short periods of lack of wind energy, the expansion machine 21 is acted upon by compressed air via the pressure lines 24a, 25 and an intermediate valve unit 26 and the shaft 20 is set in rotation due to the expansion of the compressed air in its interior. About the shaft 20, the transmission 900 and in the sequence of the generator 18 for short-term supply of electrical energy in the power grid is powered. The expansion machine 21 rotates faster than the generator 18.
  • the heat storage 23 consists of heat-resistant, inexpensive and flow-through material, for example, stacked perforated bricks, the discharged from the compressor 19 and discharged to the expander 21 compressed air in each opposite direction be flowed through.
  • the compressed air absorbs heat as it flows through the heat accumulator 23, whereby the energy available during the expansion is increased and ice formation within the expansion machine 21 is avoided.
  • the heat accumulator 23 takes on the introduction of hot compressed air from the compressor 19 in the tower storage 22 heat from the compressed air, which increases their air density and a larger compressed air mass can be stored.
  • the wind turbine 220 shown in Fig. 3 is compared to the embodiment of FIG. 2 extended by the fact that in addition to the tower memory 22, an underground storage reservoir 27 is provided for storing the compressed air.
  • this opens up the possibility of switching the underground storage reservoir 27 in parallel with the tower storage 22. That is, both in the tower storage 22 and in the underground storage reservoir 27, the same air pressure prevails, the heat storage medium 23 to be flowed through remaining in the tower storage 22 despite the larger amount of compressed air stored.
  • the underground storage reservoir 27 can be under higher air pressure than the tower storage 22, whereby the wind turbine 220 can be operated with a two-stage compression and expansion of the compressed air.
  • a compressor and expansion station 28 is then installed between tower storage 22 and underground storage reservoir 27.
  • the compressor and expansion station 28 is connected via pressure lines 29, 30 on the one hand to the tower storage 22 and on the other hand to the storage reservoir 27. Furthermore, the compressor and expansion station 28 may be equipped with an additional heat storage, not shown here, and / or a cooling for the compression of the air and a furnace for the expansion of the air.

Abstract

The invention relates to a method for operating a wind turbine and to a wind turbine (2) comprising a tower (4) that is secured in a foundation (3) and a nacelle (5) that is supported by the tower and is provided with a rotor (6), in addition to a compressor unit (10) that is situated in the nacelle and is connected to a compressed air accumulator, the compressed air accumulator supplying compressed air to an electric generator in order to convert the air into electrical energy and to homogenize the energy production on the output side. The invention provides a method of this type and a wind turbine of this type which permit a more efficient operation and a construction that is significantly simpler and independent of location, in particular for medium-term energy production intervals. To achieve this, the tower (4) is sealed and the compressed air generated by the compressor unit (10) is fed to said tower for intermediate storage. The tower is sealed off from the exterior and designed as a tower accumulator (12) and the compressor unit (10) that is connected to the rotor (6) by means of a drive shaft (8) and an interconnecting gearbox (9) has a pressure line (13) connected to the tower accumulator.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage und Windkraftanlage Method for operating a wind turbine and wind power plant
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage und eine Windkraftanlage, die einen im Fundament verankerten Turm und eine von diesem getragene, mit einem Rotor versehene Gondel sowie eine in der Gondel angeordnete Kompressoreinheit, die an einen Druckluftspeicher angeschlossen ist, um- fasst, wobei der Druckluftspeicher zur Vergleichmäßigung der ausgangsseitigen Energieproduktion die Druckluft zur Umwandlung in elektrische Energie an einen elektrischen Generator abgibt.The invention relates to a method for operating a wind power plant and a wind turbine, comprising a tower anchored in the foundation and a rotor-mounted nacelle and a compressor arranged in the nacelle compressor unit, which is connected to a compressed air reservoir, comprises the compressed air storage to equalize the output-side energy production, the compressed air for conversion into electrical energy to an electric generator outputs.
Der Entwicklungsstand der Technik bei den Windkraftanlagen ist sehr weit fortgeschritten und auf hohem Niveau. Allerdings sind die bekannten Standardanlagen, wie Megawatt- und Multimegawattklassen, technisch sehr aufwendig und kostenintensiv. Hinzu kommt die teuere, komplexe und mitunter anfällige Leistungselektronik (Frequenzumrichtertechnologie), die zunehmend Anwendung findet.The state of development of the technology in wind turbines is very advanced and at a high level. However, the known standard systems, such as megawatt and multi-megawatt classes, technically very complicated and expensive. Added to this is the expensive, complex and sometimes vulnerable power electronics (frequency converter technology), which is increasingly being used.
Der Aufwand begründet sich darin, dass Wind eine intermittierende Energiequelle darstellt, mit dem Problem der diskontinuierlichen Stromproduktion, die sich am variierenden Windangebot orientiert. Solchermaßen erzeugter Strom steht selbst in Gegenden mit starken Windressourcen nicht regelmäßig und nach Bedarf zur Verfügung. Die Windkraftanlagen werden daher häufig gedrosselt, um auf Schwankungen der Windenergie zu reagieren. Bei zu schwacher Windkraft ist zudem Regelenergie erforderlich, für die häufig ein sehr großer Anteil der installierten Windkraftleistung vorgehalten werden muss. Außerdem sind die Übertragungsmöglichkeiten an vielen Standorten sehr eingeschränkt, und neue Leitungen sind teuer und nur schwer, wenn überhaupt, zu errichten. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird Windenergie speicherbar gemacht, so dass sie auf Abruf verfügbar ist. Hierzu sind CAES (Compressed Air Energy Storage) - Kraftwerke, d.h. eine Druckluftspeicherung mit einer Speicherkapazität von Stunden bis zu Tagen bekanntgeworden (vgl. beispielsweise „Das Buch der Synergie - Teil C - Druckluft-Speicher (pneumatischer Speicher)". Bei solchen Druckluftspeicherkraftwerken handelt es sich dem Grunde nach um ein Gasturbinenkraftwerk, das Spitzenlastenergie bereitstellt. Es wird die Energie genutzt, die in komprimierter Luft steckt. In Schwachlastzeiten wird mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter Druckluft in einer unterirdischen Kaverne gespeichert. Bei Spitzenlast, d.h. in Zeiten einer hohen Energienachfrage, wird die Druckluft in eine Gasturbine geleitet, die wegen des fehlenden Verdichters ihre volle Leistung an den angekuppelten Generator abgibt. Da bei der Expansion der Luft wieder Wärme zugeführt werden muss, um eine Vereisung der Turbinen zu vermeiden, wird immer eine Kombination aus Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerk verwendet. Der in solchen technisch aufwendigen Kraftwerken erzeugte Strom ist sehr teuer und wird daher nur zu bestimmten Zeiten zur Abdeckung von Spitzenlasten eingesetzt.The effort is based on the fact that wind is an intermittent source of energy, with the problem of discontinuous power production, which is based on the varying supply of wind. Such generated electricity is not available regularly and as needed, even in areas with high wind resources. The wind turbines are therefore often throttled to respond to fluctuations in wind energy. In the case of too weak wind power, control energy is also required, for which a very large proportion of the installed wind power must often be provided. In addition, the transmission options are very limited in many locations, and new lines are expensive and difficult, if any, to build. To overcome these difficulties, wind energy is made storable so that it is available on demand. For this purpose, CAES (Compressed Air Energy Storage) - power plants, ie a compressed air storage have become known with a storage capacity of hours to days (see, for example, "The Book of Synergy - Part C - compressed air storage (pneumatic storage)." Such compressed air storage power plants It uses the energy contained in compressed air, and in off-peak periods, it uses an electrically-driven compressor to store compressed air in an underground cavern at peak load, ie in periods of high energy demand. The compressed air is fed into a gas turbine, which, because of the missing compressor, delivers its full power to the coupled generator, and as heat expands to prevent the turbines from icing as the air expands, it becomes a combination of compressed air storage and gas turbine power plant used Power generated in such technically complex power plants is very expensive and is therefore used only at certain times to cover peak loads.
Um den Nutzwert der CAES-Windanlagen zu steigern und für einen verbreiteten Einsatz wirtschaftlich effizienter zu machen, ist durch die zuvor genannte Literaturstelle eine Weiterentwicklung bekannt geworden, nämlich die DWPS (Dispat- chable Wind Power System)-Technologie. Diese sieht vor, wie gattungsgemäß angegeben, dass die Windkraftanlage anstatt der sonst in den Gondeln üblichen Generatoren mit windgetriebenen, proprietären Kompressoren ausgerüstet ist. Im Gegensatz zu den bisherigen Konzepten produzieren die Windräder somit keinen Strom, sondern gewinnen direkt mit dem in der Gondel angeordneten Druckluft- Kompressor Druckluft. Die Turbinen der DWPS-Windkraftanlage wandeln die kinetische Energie des Windes somit ohne Hilfe von Generatoren in den Gondeln direkt in potentielle Energie aus Druckluft um. Die Druckluft wird in unterirdischen Rohrleitungen, in geologischen Speichermedien wie Salzstöcken, leeren Gas- und Ölfeldern oder in geeigneten Höhlensystemen gespeichert. Die Verlustbetrachtungen für derart offene Systeme und Konzepte gestalten sich allerdings schwierig und riskant.In order to increase the usefulness of the CAES wind turbines and to make them more economically efficient for widespread use, a further development has become known from the cited reference, namely the DWPS (Dis- patible Wind Power System) technology. This provides, as stated generically, that the wind turbine is equipped with wind-driven, proprietary compressors instead of the usual in the nacelles generators. In contrast to the previous concepts, the wind turbines thus produce no electricity, but win directly with the arranged in the nacelle air compressor compressed air. The turbines of the DWPS wind turbine convert the kinetic energy of the wind directly into potential energy from compressed air without the help of generators in the nacelles. The compressed air is used in underground pipelines, in geological storage media such as salt flats, empty gas and Oil fields or stored in suitable cave systems. However, the loss considerations for such open systems and concepts are difficult and risky.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Windkraftanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere für mittelfristige Energieproduktionsintervalle (in Stundenbereichen) eine effizientere Betriebsweise sowie eine deutlich einfachere und ortsunabhängige Bauweise ermöglichen.The invention is therefore based on the object to provide a method and a wind turbine of the type mentioned above, which allow more efficient operation and a much simpler and location-independent design especially for medium-term energy production intervals (in hours).
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Turm abgedichtet und in diesen die von der Kompressoreinheit erzeugte Druckluft zur Zwischenspeicherung eingespeist wird. Es wird somit erfindungsgemäß die mittels des Kompressors, z.B. ein Schraubenkompressor, statt elektrischem Strom primärseitig erzeugte Druckluft direkt am Ort des Geschehens, nämlich in dem ohnehin bereits vorhandenen Turm gespeichert. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass nicht der gesamte Turm abgedichtet und unter Druck gesetzt wird, beispielsweise 10 % bis 20 % des Turmvolumens drucklos bleiben, z. B. um dort eine elektrische Schaltanlage unter zu bringen. Indem zur Energie- speicherung keine weiteren, zusätzlichen Elemente erforderlich sind, insbesondere keine Abhängigkeit zu geologischen Speichermedien besteht, lässt sich in einfacher Weise die im abgedichteten Turm zwischengespeicherte Energie zur Vergleichmäßigung der Energieeinspeisung nutzbar machen. Die Fluktuation und Diskontinuität des Windes kann bis hin zu mehreren Stunden vergleichmäßigt, d.h. ausgeglichen werden. Der baulich unabdingbare Turm bekommt somit eine weitere Nutzung, und zwar erfindungsgemäß als Speicher bzw. Druckluftspeicher. Der Turm kann gleichzeitig in einfacher Weise isoliert werden, womit er auch wärmetechnisch, d. h. gegen Wärmeverlust, effizienter wird. Zur weiteren Verbesserung des Wärmehaushalts im Turmspeicher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Druckluftspeicherung zum Betrieb mit einem Wärmespeicher kombiniert wird. Dazu ist der Wärmespeicher in dem zur Zwischen- speicherung der Druckluft vorhandenen Turminnenraum integriert. Der Turm der Windkraftanlage erfüllt somit eine Doppelfunktion, nämlich zum einen die Aufnahme von Luft unter Überdruck und zum anderen die Aufnahme des Wärmespeichers, so dass für diesen kein separater Druckbehälter benötigt wird.This object is achieved by a method according to the invention in that the tower is sealed and in this the compressed air generated by the compressor unit is fed to the intermediate storage. It is thus inventively stored by means of the compressor, such as a screw compressor, instead of electrical power primary side generated compressed air directly at the scene, namely in the already existing tower anyway. It is within the scope of the invention that not the entire tower is sealed and pressurized, for example, 10% to 20% of the tower volume remain pressureless, z. B. to bring there an electrical switchgear. By no further, additional elements being required for energy storage, in particular no dependence on geological storage media, the energy stored intermediately in the sealed tower can be utilized in a simple manner to even out the energy supply. The fluctuation and discontinuity of the wind can be evened up to several hours, ie compensated. The structurally indispensable tower thus gets a further use, according to the invention as a memory or compressed air storage. The tower can be isolated at the same time in a simple manner, making it also thermally, ie against heat loss, more efficient. To further improve the heat balance in the tower storage is inventively provided that the compressed air storage is combined for operation with a heat storage. For this purpose, the heat accumulator is integrated in the tower interior for temporary storage of the compressed air. The tower of the wind turbine thus fulfills a dual function, namely on the one hand the inclusion of air under pressure and on the other hand, the inclusion of the heat storage, so that no separate pressure vessel is needed for this.
Der vorteilhaft aus wärmebeständigen und luftdurchlässigen Elementen bestehende Wärmespeicher wird von der Druckluft bei der Einleitung in den und bei der Ausleitung aus dem Turmspeicher im Gegenstrom durchströmt, wobei zwischen der als Druckbehälterwandung fungierenden Turminnenwand und den Wärmespeicherelementen ein Zwischenraum vorgesehen ist, der mit wärmedämmenden Materialien ausgefüllt ist.The advantageously made of heat-resistant and air-permeable elements heat storage is flowed through by the compressed air at the introduction into and out of the tower storage in countercurrent, between the functioning as a pressure vessel wall tower inner wall and the heat storage elements, a gap is provided which is filled with heat-insulating materials ,
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Wärmespeicher heiße Druckluft aus der Kompressoreinheit zugeleitet wird. Der Wärmespeicher nimmt dabei Wärme aus der heißen Druckluft auf, wodurch die Luftdichte der Druckluft ansteigt und somit eine größere Druckluftmasse im Turm gespeichert werden kann.According to a further embodiment of the invention it is provided that the heat accumulator hot compressed air is supplied from the compressor unit. The heat storage takes up heat from the hot compressed air, whereby the air density of the compressed air increases and thus a larger compressed air mass can be stored in the tower.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die aus dem Wärmespeicher ausströmende Druckluft über eine Expansionsmaschine geleitet wird. Die Expansionsmaschine, welche direkt einen Generator zur Stromerzeugung antreiben kann, wird durch Expansion der Druckluft angetrieben. Beim Ausleiten der Druckluft aus dem Turmspeicher und Zuleiten in die Expansionsmaschine durchströmt die Druckluft den Wärmespeicher und nimmt dabei Wärme auf, wodurch sich die für die Expansion zur Verfügung stehende Energie der Druckluft vergrößert und vorteilhaft eine Eisbildung in der Expansionsmaschine vermieden wird. Optional kann in der Gondel eine Maschine vorgesehen werden, die als Kompressor wie auch zur Expansion dient.A preferred embodiment of the invention provides that the air flowing out of the heat accumulator compressed air is passed through an expansion machine. The expansion machine, which can directly drive a generator to generate electricity, is powered by expansion of the compressed air. When discharging the compressed air from the tower storage and Zuleiten in the expansion machine, the compressed air flows through the heat storage and thereby absorbs heat, which increases the energy available for the expansion of the compressed air and advantageous ice formation is avoided in the expansion machine. Optionally, in the nacelle, a machine can be provided, which serves as a compressor as well as for expansion.
Weiterhin ist zur Temperaturregelung der im Turm gespeicherten Druckluft erfindungsgemäß vorgesehen, dass die aus dem Wärmespeicher austretende, heiße Druckluft mit direkt aus dem Turmspeicher entnommener, kalter Druckluft gemischt wird. Diese Maßnahme empfiehlt sich insbesondere bei zusätzlich elektrisch nachgeheizter Wärmespeichermasse.Furthermore, the temperature control of the stored compressed air in the tower according to the invention provided that the exiting from the heat accumulator, hot compressed air is mixed with taken directly from the tower storage, cold compressed air. This measure is particularly recommended for additionally electrically reheated heat storage mass.
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass alle oder zumindest mehrere Windkraftanlagen eines Windparks die in den Türmen zwischengespeicherte Druckluft auf einen zentralen Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator speisen. Es ist somit ein einfacher, drehzahlvariabler Betrieb der Windkraftanlage mit Entkopplung zur konstanten Drehzahl (Frequenz) des nachgeschalteten, die in der Druckluft enthaltene Energie in elektrische Energie umwandelnden, elektrischen Generators möglich. Alle oder mehrere Windenergieanlagen eines Windparks können ihre Druckluft ohne Verminderung von elektrischen Verlusten und unter Erhöhung der Effizienz auf den zentralen Druckluftmotor mit gekoppeltem Asynchrongenerator speisen.An advantageous embodiment of the invention provides that all or at least several wind turbines of a wind farm feed the cached compressed air in the towers on a central air motor with coupled speed constant asynchronous generator. It is thus a simple, variable-speed operation of the wind turbine with decoupling the constant speed (frequency) of the downstream, the energy contained in the compressed air into electrical energy converting, electric generator possible. All or several wind turbines of a wind farm can supply their compressed air to the central compressed air motor with coupled asynchronous generator without reducing electrical losses and increasing efficiency.
Hierbei wird vorteilhaft mittels Ventilen ein immer gleicher Druck am Asynchrongenerator gewährleistet, der somit im Betrieb fluktuationsfrei mit immer konstanter elektrischer Leistung einspeist. Im Vergleich zu den komplexen Generatoren der bekannten Windenergieanlagen sind Asynchrongeneratoren sehr einfache, robuste und wartungsarme Generatoren und produzieren einen qualitativ höherwertigen elektrischen Strom mit deutlich niedrigeren Kosten.In this case, it is advantageous to ensure by means of valves always the same pressure on the asynchronous generator, which thus feeds in operation without fluctuation with always constant electrical power. Compared to the complex generators of the known wind turbines, asynchronous generators are very simple, robust and low-maintenance generators and produce a higher-quality electrical current at significantly lower costs.
Die Erfindung eröffnet ein Speicher- und Energiemanagement im Verbund von mehreren Windkraftanlagen im Windpark oder im Verbund von mehreren Windparkprojekten mit einer Vielzahl neuer Möglichkeiten und eine Betriebsweise in diversen Modi. So beispielsweise die Energiezwischenspeicherung im Turm bei paralleler Erzeugung von elektrischer Energie am Asynchrongenerator, die Zwi- schenspeicherung von Energie im Turm, im Bypass die Produktion von elektrischer Energie am Asynchrongenerator oder Sonderbetriebsformen, z.B. Teillastbetrieb, Spitzenlastbetrieb (Überlastbetrieb), Betrieb bei Kurzschluss (Netzfehlern), Betrieb zur Unterstützung des Versorgungsnetzes oder zur Windparkrege- lung und -Optimierung.The invention opens up a storage and energy management in the network of several wind turbines in the wind farm or in the network of several wind farm projects with a multitude of new possibilities and a mode of operation in various modes. For example, the intermediate energy storage in the tower with parallel generation of electrical energy at the asynchronous generator, the intermediate storage of energy in the tower, in the bypass the production of electrical energy at the asynchronous generator or special operating modes, eg partial load operation, peak load operation (overload operation), operation in case of short circuit (network faults) , Operation to support the supply network or for wind farm regulation and optimization.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einer Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Turm nach außen abgedichtet als Turmspeicher ausgebildet ist und die über eine Antriebswelle unter Zwischenschaltung eines Getriebes mit dem Rotor verbundene Kompressoreinheit eine an den Turmspeicher angeschlossene Druckleitung aufweist, wobei der Turmspeicher nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung an eine Einheit aus einem Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator angeschlossen ist. Abgesehen davon, dass keine ortsabhängigen Speichermedien mit den dafür erforderlichen Leitungen erforderlich sind, entfallen anlagenseits durch den Einsatz von Druckleitungen sowie seitens der Anbindung einzelner Windkraftanlagen an die Einheit aus Druckluftmotor und elektrischem Asynchrongenerator sämtliche teueren Kabelverbindungen, wie Kupfer- oder Aluminiumkabel.The object underlying the invention is achieved with a device according to the invention in that the tower is sealed to the outside formed as tower memory and the connected via a drive shaft with the interposition of a gearbox with the rotor compressor unit connected to the tower memory pressure line, wherein the tower memory according to a preferred embodiment of the invention is connected to a unit of a compressed air motor with coupled constant-speed asynchronous generator. Apart from the fact that no location-dependent storage media are required with the necessary lines, accounted for by the use of pressure lines as well as the connection of individual wind turbines to the unit of compressed air motor and electrical asynchronous generator all expensive cable connections, such as copper or aluminum cable.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine am oberen Ende des Turms vorgesehene Windrichtungsnachführung mit integrierter Druckluftübergabe von der Kompressoreinheit zum Turmspeicher ausgebildet. Da im Energieteil keine anzusteuernde Leistungselektronik existiert, können aufwendige und kostenintensive Blattverstellungssysteme entfallen. Vielmehr reichen einfache Stall- Regelungen (passive Blattregelungen) aus, weil auf aufwendige Regeleingriffe seitens der Rotorblätter verzichtet werden kann. Die Windrichtungsnachführung weist einen oberhalb des abgedichteten Turmsegmentes aufgesetzten Drehkranz auf, der wahlweise mit aktiver (motorischer) oder passiver Windrichtungsnachführungseinheit ausgerüstet wird. Weiter befindet sich in diesem oberen Turm-Gondel-Verbindungselement die Drucklufteinleitung mit Ventil (Rückschlagventil) zusammen mit einer Wärmerückgewinnungseinheit. Die Wärmerückgewinnungseinheit dient zur Effizienzerhöhung und der Vorwärmung der Druckluft im Turm für den Expansionsprozess im Druckluftmotor. Die Wärmerückgewinnung arbeitet nach dem Wärmetauscherprinzip in Wärmepumpentechnologie unter Ableitung der Wärme des Kompressors durch das Turm- Gondel-Verbindungselement hin zur Druckluft im Turmspeicher. Auch eine Verdichterstufe kann hier im Turm-Gondel-Verbindungselement eingebaut werden. Die Druckluftleitungen werden in Verdrilltechnik im Segment Windrichtungsnachführung mit integrierter Druckluftübergabe (Turm-Gondel-Verbindungselement) eingebaut. Dies erlaubt bis zu dreieinhalb Umdrehungen der Gondel, jeweils in beiden Drehrichtungen der Gondel.According to an advantageous embodiment of the invention, provided at the upper end of the tower Wind direction tracking with integrated compressed air transfer from the compressor unit to the tower memory is formed. Since there is no power electronics to be triggered in the energy unit, complex and expensive blade adjustment systems can be dispensed with. Rather, simple stable regulations (passive blade controls) are sufficient, because elaborate control intervention by the rotor blades can be dispensed with. The wind direction tracking has a mounted above the sealed tower segment slewing ring, which is optionally equipped with active (motor) or passive wind direction tracking unit. Next is in this upper tower-gondola connection element, the compressed air inlet valve (check valve) together with a heat recovery unit. The heat recovery unit serves to increase the efficiency and to preheat the compressed air in the tower for the expansion process in the air motor. The heat recovery works according to the heat exchanger principle in heat pump technology while dissipating the heat of the compressor through the tower gondola connection element to the compressed air in the tower storage. Also, a compressor stage can be installed here in the tower-gondola connector. The compressed air lines are installed in twisting technology in the wind direction tracking segment with integrated compressed air transfer (tower-gondola connection element). This allows up to three and a half revolutions of the nacelle, each in both directions of rotation of the nacelle.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Turmspeicher ein aus einem wärmebeständigen und durchströmbaren Material bestehender Wärmespeicher integriert ist. Der Wärmespeicher besteht zum Beispiel aus aufgestapelten Lochziegeln, die von der Druckluft bei der Einleitung in den und bei der Ausleitung aus dem Turmspeicher in jeweils entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Dadurch, dass der Wärmespeicher als integraler Bestandteil des Turmspeichers ausgebildet ist, entfällt die zusätzliche Anordnung eines externen Druckbehälters.According to a further embodiment of the invention, it is provided that an existing from a heat-resistant and flow-through material heat storage is integrated in the tower memory. The heat storage consists for example of stacked perforated bricks, which are flowed through by the compressed air during the introduction into and during the discharge from the tower storage in the opposite direction. The fact that the heat storage is formed as an integral part of the tower storage, eliminating the additional arrangement of an external pressure vessel.
Zusätzlich zum Turmspeicher kann erfindungsgemäß ein unterirdisches Speicherreservoir vorgesehen werden, dass über Druckleitungen mit dem Turmspeicher verbunden ist. Dies bietet zum einen die Möglichkeit, das unterirdische Speicherreservoir mit gleichem Überdruck dem Turmspeicher parallel zu schalten, wobei der Wärmespeicher trotz vergrößerter Speicherkapazität im Turmspeicher verbleibt.In addition to the tower storage, an underground storage reservoir can be provided according to the invention, which is connected via pressure lines to the tower storage. This offers on the one hand the possibility of switching the underground storage reservoir with the same overpressure to the tower storage in parallel, wherein the heat storage remains despite increased storage capacity in the tower memory.
Zum andern kann das unterirdische Speicherreservoir unter höherem Überdruck stehen als der Turmspeicher, wodurch eine zweistufige Kompression und Expansion der Druckluft erfolgt. Es lässt sich damit ein Betrieb der Windkraftanlage mit einer zwischen dem Turmspeicher und dem unterirdischen Speicherreservoir angeordneten Verdichter- und Expansionsstation erreichen, die vorteilhaft einen zweiten Wärmespeicher und/oder einen Kühler für die Kompression sowie eine Feuerungseinrichtung für die Expansion der Luft aufweisen kann.On the other hand, the underground reservoir can be under higher pressure than the tower memory, whereby a two-stage compression and expansion of the compressed air takes place. It can thus be an operation of the wind turbine with a arranged between the tower storage and the underground storage reservoir compressor and expansion station, which can advantageously have a second heat storage and / or a cooler for the compression and a firing device for the expansion of the air.
Damit ist es beispielsweise möglich, die Luft im Turmspeicher mit 8 bis 13 bar LJ- berdruck zu speichern, wohingegen die Luft im unterirdischen Speicherreservoir mit 50 bis 120 bar Überdruck gespeichert werden kann. Sowohl im Wärmespeicher des Turmspeichers als auch im Wärmespeicher der Verdichter- und Expansionsstation reicht dabei eine Speicherwärme von maximal 3500C aus, so dass ohne weiteren Entwicklungsaufwand mit den Werkstoffen und Bauweisen herkömmlicher Kompressoren und Dampfturbinen gearbeitet werden kann.This makes it possible, for example, to store the air in the tower tank at 8 to 13 bar LJ overpressure, whereas the air in the underground storage reservoir can be stored at 50 to 120 bar overpressure. Both in the heat storage of the tower storage and in the heat storage of the compressor and expansion station while a storage heat of 350 0 C reaches a maximum, so that you can work without further development effort with the materials and construction methods of conventional compressors and steam turbines.
Auch können hier die einzelnen Windkraftanlagen eines Windparks mit einem gemeinsam nutzbaren, unterirdischen Speicherreservoir verbunden werden, wobei dann eine zentrale Verdichter- und Expansionsstation vorgesehen ist, die mit e- lektrischer Energie, beispielsweise von den Generatoren der Windkraftanlagen, versorgt wird.Also here, the individual wind turbines of a wind farm can be connected to a shared, underground storage reservoir, in which case a central compressor and expansion station is provided which is supplied with electrical energy, for example from the generators of the wind turbines.
Bei den Windkraftanlagen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist es somit möglich, über die Druckluftmenge im Turmspeicher kurzfristige Windenergie- und Bedarfsschwankungen im Minutenbereich und mittels der größeren Druckluftmenge im unterirdischen Speicherreservoir Windenergie- und Bedarfsschwankungen im Stundenbereich auszugleichen. Eine alternative Ausführungsform der Windkraftanlage sieht dazu erfindungsgemäß vor, dass in der Gondel eine zusätzlich zu der Rotorachse mit dem Getriebe verbundene, zuschaltbare Expansionsmaschine angeordnet ist und das Getriebe ausgangsseitig mit einem Generator sowie diesem nachgeschalteten, ebenfalls zuschaltbaren Kompressor verbunden ist. Durch die Windenergie wird über den Rotor der Generator angetrieben und elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist. In Zeiten von Windenergieüberschuss wird über den zuschaltbaren Kompressor zusätzlich Druckluft in den Turmspeicher geleitet. Bei kurzen Perioden mangelnder Windenergie wird die gespeicherte und beim Durchströmen des Wärmespeichers erwärmte Druckluft der Expansionsmaschine zugeführt. Die in der Folge durch Expansion der Druckluft in Rotation versetzte Expansionsmaschine treibt dann den Generator zur Erzeugung elektrischer Energie an.In the wind power plants of the embodiment described above, it is thus possible to compensate for the amount of compressed air in the tower storage short-term wind energy and demand fluctuations in the minute range and by means of the larger amount of compressed air in the underground storage reservoir wind energy and demand fluctuations in the hourly range. An alternative embodiment of the wind turbine according to the invention provides that in the gondola in addition to the rotor axis connected to the transmission, switchable expansion machine is arranged and the transmission is the output side connected to a generator and this downstream, also switchable compressor. Wind energy drives the generator via the rotor and feeds electrical energy into a power grid. In times of excess wind energy, compressed air is additionally fed into the tower reservoir via the switchable compressor. For short periods of lack of wind energy, the stored and heated when flowing through the heat accumulator compressed air is supplied to the expansion machine. The expansion machine, which is subsequently set in rotation by expansion of the compressed air, then drives the generator to generate electrical energy.
Zur Einleitung der Druckluft in den Turmspeicher und den Wärmespeicher sowie zur Ableitung der Druckluft aus dem Wärmespeicher und gleichzeitiger Beaufschlagung der Expansionsmaschine, ist sowohl der zuschaltbare Kompressor als auch die zuschaltbare Expansionsmaschine mit dem Turmspeicher über Druckleitungen verbunden.To initiate the compressed air in the tower storage and the heat storage and for the discharge of compressed air from the heat storage and simultaneous admission of the expansion machine, both the switchable compressor and the switchable expansion machine with the tower memory via pressure lines is connected.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert sind. Es zeigen:Further features and details of the invention will become apparent from the claims and the following description in which embodiments of the subject matter of the invention are explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Windkraftanlage in der Bauweise mit horizontaler Rotationsachse (Horizontalläufer). Als optionale Bauform kann gleichermaßen ein Turm mit vertikaler Rotationsachse (Vertikalläufer) zum Einsatz kommen; Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Windkraftanlage in der Bauweise mit horizontaler Rotationsachse (Horizontalläufer), bei der ein Wärmespeicher integriert ist; undFig. 1 is a schematic diagram of a wind turbine in the construction with a horizontal axis of rotation (horizontal rotor). As an optional design, a tower with a vertical axis of rotation (vertical runner) can equally be used; Fig. 2 is a schematic diagram of a wind turbine in the construction with a horizontal axis of rotation (horizontal rotor), in which a heat storage is integrated; and
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Windkraftanlage gemäß Fig. 2, die demgegenüber zusätzlich mit einem unterirdischen Druckluftspeicher verbunden ist.Fig. 3 is a schematic diagram of the wind turbine of FIG. 2, which in contrast is additionally connected to an underground compressed air storage.
Von einem mit Windkraft betriebenen Kraftwerk zeigt die Figur 1 in einer schematischen Prinzipdarstellung als Einzelheit eines Windparks 1 eine Windkraftanlage 2 als Windenergieanlage. Diese besitzt einen bodenseitig im Fundament 3 verankerten Turm 4, auf dem oben eine Gondel 5 angeordnet ist. Ein Rotorblatt 6 bzw. Rotor der Windenergieanlage 2 ist in einer Rotornabe 7 der Gondel 5 gelagert.From a wind power plant operated by the figure 1 shows a schematic diagram of a detail of a wind farm 1, a wind turbine 2 as a wind turbine. This has a bottom side anchored in the foundation 3 tower 4, on top of which a nacelle 5 is arranged. A rotor blade 6 or rotor of the wind energy plant 2 is mounted in a rotor hub 7 of the nacelle 5.
Das Rotorblatt 6 ist über eine Antriebswelle 8 mit Bremseinheit unter Zwischenschaltung eines Getriebes 9 mit einer Kompressoreinheit 10 verbunden. Dieser ist eine Steuer- und Überwachungseinheit 11 zugeordnet.The rotor blade 6 is connected via a drive shaft 8 with brake unit with the interposition of a transmission 9 with a compressor unit 10. This is assigned to a control and monitoring unit 11.
Zur Druckluftspeicherung ist die Windenergieanlage 2 unabhängig von geologischen Voraussetzungen, wie Kavernen oder dergleichen unterirdischen Hohlräumen, denn der Turm 4 selbst ist nach außen völlig abgedichtet und in seinem Inneren als Turmspeicher 12 zur Einspeisung von mit der Kompressoreinheit 10 erzeugter Druckluft ausgebildet. Von der Kompressoreinheit 10 führt dazu eine Druckleitung 13 in den Turmspeicher 12, wobei die Druckluftübergabe in einer die Gondel 5 am oberen Turmende tragenden Windrichtungsnachführung 14 ausgebildet ist.For compressed air storage, the wind turbine 2 is independent of geological conditions, such as caverns or the like underground cavities, because the tower 4 itself is completely sealed to the outside and formed in its interior as a tower memory 12 for feeding generated with the compressor unit 10 compressed air. From the compressor unit 10 leads to a pressure line 13 in the tower memory 12, wherein the compressed air transfer is formed in a nacelle 5 at the upper tower end bearing Windrichtungsnachführung 14.
Die Windenergieanlage 2 oder alle bzw. mehrere Windenergieanlagen eines Windparks 1 speisen die vor Ort im Turmspeicher 12 gepufferte Druckluft über eine Druckventil-Verteilerelement Anbindungseinheit 15 zu einer aus einem Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator bestehenden Einheit 16. Die Einheit 16 kann, wie in der Zeichnung als Black-Box angedeutet, separat im Parkareal vorgesehen werden. Sie ist örtlich unabhängig und planungsspezifisch am effektivsten Ort im Windpark 1 zu platzieren und erfüllt die Aufgaben der Bündelung der Druckenergie aller Windkraftanlagen, der Energieumwandlung, der Transformation (Umspannwerk) und als elektrischer Übergabepunkt, um den erzeugten elektrischen Strom mittels Leitungen in das Energieversorgungsnetz zu leiten. In diesem eigenständigen Generatorteil des Windparks 1 werden die Druckleitungen 17 der einzelnen Windenergie- bzw. Windkraftanlagen gebündelt und die Druckluft behandelt (veredelt). Neben der Implementierung des Druckluftmotors (Pneumatikmotor) mit Kupplung zum Asynchronmotor, sind dort weiterhin die herkömmlichen elektrischen Übergabestationen, die Schaltanlagen und ein Transformator integriert.The wind turbine 2 or all or several wind turbines of a wind farm 1 feed the buffered compressed locally in the tower memory 12 compressed air via a pressure-valve manifold connection unit 15 to a consisting of a compressed air motor with constant-speed asynchronous generator Unit 16. The unit 16 may, as indicated in the drawing as a black box, be provided separately in the parking area. It is locally independent and planning-specific to place the most effective location in the wind farm 1 and performs the tasks of bundling the pressure energy of all wind turbines, energy conversion, transformation (substation) and as an electrical transfer point to direct the electricity generated by lines in the power grid , In this independent generator part of the wind farm 1, the pressure lines 17 of the individual wind energy or wind turbines are bundled and treated the compressed air (refined). In addition to the implementation of the pneumatic motor (pneumatic motor) with a clutch to the asynchronous motor, the conventional electrical transfer stations, the switchgear and a transformer are still integrated there.
Die Anbindungseinheit 15 aus Druckübergabe vom abgedichteten Turm 4 an den Verteiler schließt zudem alle erforderliche Mess- und Sicherheitstechnik ein. Die Ventile und eine Überwachungseinheit sorgen für die Abgabe des Luftdrucks in korrekter Höhe an den Verteiler, der die betreffende Windkraft- /Windenergieanlage 2 mit dem Druckleitungsnetz 17, wie schematisch durch Stri- chelung angedeutet, mit der Einheit 16 aus Druckluftmotor und Asynchronmotor verbindet. Auch die elektrische Anschlussversorgung zu Steuerzwecken der Windkraft-ΛΛ/indenergieanlage 2 ist hier untergebracht.The connection unit 15 from pressure transfer from the sealed tower 4 to the distributor also includes all required measurement and safety technology. The valves and a monitoring unit ensure that the air pressure is delivered at the correct level to the distributor, which connects the relevant wind power / wind energy plant 2 to the pressure line network 17, as indicated schematically by a dashed line, with the unit 16 of compressed air motor and asynchronous motor. Also, the electrical connection supply for tax purposes of the wind power in / indenergieanlage 2 is housed here.
Es lassen sich somit stark vereinfachte (verschlankte) Windenergieanlagen mit direkter Speicherbarkeit der Druckluft vor Ort im Turmspeicher des vorhandenen Turms und Vergleichmäßigung der Energie erreichen. Abgesehen davon, dass die Windenergieanlage bzw. der Windpark unabhängig von natürlichen Speichermöglichkeiten ist, kann auf teuere Kupfer- oder Aluminiumkabel verzichtet werden und kommen umweltfreundliche, ölfreie Kompressoren und Druckluftmotoren zum Einsatz. Eine alternative Ausfϋhrungsform einer Windkraftanlage 200 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese besitzt einen bodenseitig im Fundament 300 verankerten Turm 400, auf dem oben eine Gondel 500 angeordnet ist. Ein Rotorblatt 600 bzw. Rotor der Windkraftanlage 200 ist in einer Rotornabe 700 der Gondel 600 gelagert.It can thus be greatly simplified (streamlined) wind turbines with direct storage capacity of compressed air on site in the tower storage of the existing tower and equalization of energy reach. Apart from the fact that the wind turbine or the wind farm is independent of natural storage options, expensive copper or aluminum cables can be dispensed with and environmentally friendly, oil-free compressors and air motors are used. An alternative embodiment of a wind turbine 200 is shown in FIG. This has a bottom side anchored in the foundation 300 tower 400, on top of a gondola 500 is arranged. A rotor blade 600 or rotor of the wind turbine 200 is mounted in a rotor hub 700 of the nacelle 600.
Das Rotorblatt 600 ist über eine Antriebswelle 800 mit einem Getriebe 900 verbunden. Weiterhin steht das Getriebe 900 in einer Wirkverbindung mit einem stromerzeugenden Generator 18 sowie einem zuschaltbaren Kompressor 19. Zusätzlich ist das Getriebe 900 über eine Antriebswelle 20 mit einer zuschaltbaren Expansionsmaschine 21 verbunden.The rotor blade 600 is connected to a transmission 900 via a drive shaft 800. Furthermore, the transmission 900 is in operative connection with a power-generating generator 18 and a switchable compressor 19. In addition, the transmission 900 is connected via a drive shaft 20 with a connectable expansion machine 21.
Der Turm 400 selbst ist nach außen hin völlig abgedichtet und in seinem Inneren als Turmspeicher 22 zur Einspeisung von mit dem zuschaltbaren Kompressor 19 erzeugter Druckluft ausgebildet. Des weiteren ist im Turmspeicher 22 ein Wärmespeicher 23 integriert. Sowohl der Turmspeicher 22 als auch der Wärmespeicher 23 sind über Druckleitungen 24a, 24b, 25 mit dem Kompressor 19 und der Expansionsmaschine 21 verbunden.The tower 400 itself is completely sealed to the outside and formed in its interior as a tower memory 22 for feeding generated with the switchable compressor 19 compressed air. Furthermore, a heat accumulator 23 is integrated in the tower storage 22. Both the tower storage 22 and the heat storage 23 are connected via pressure lines 24 a, 24 b, 25 to the compressor 19 and the expansion machine 21.
Mittels der Windenergie wird das Rotorblatt 600 in Rotation versetzt und einhergehend damit über das Getriebe 900 der Generator 18 angetrieben, wodurch elektrische Energie in ein angeschlossenes Stromnetz, beispielsweise ein Inselstromnetz, eingespeist wird.By means of the wind energy, the rotor blade 600 is set in rotation and, consequently, driven therewith via the gear 900 of the generator 18, whereby electrical energy is fed into a connected power grid, for example an island power grid.
In Zeiten von Windenergieüberschuss wird zusätzlich zum Generator 18 der Kompressor 19 angetrieben, der daraufhin den Turmspeicher 22 mit Druckluft füllt. In kurzen Perioden mangelnder Windenergie wird über die Druckleitungen 24a, 25 und eine zwischengeschaltete Ventileinheit 26 die Expansionsmaschine 21 mit Druckluft beaufschlagt und aufgrund der Expansion der Druckluft in ihrem Inneren die Welle 20 in Rotation versetzt. Über die Welle 20 wird das Getriebe 900 und in der Folge der Generator 18 zur kurzfristigen Einspeisung elektrischer Energie in das Stromnetz angetrieben. Die Expansionsmaschine 21 dreht hierbei schneller als der Generator 18.In times of excess wind energy, in addition to the generator 18, the compressor 19 is driven, which then fills the tower reservoir 22 with compressed air. In short periods of lack of wind energy, the expansion machine 21 is acted upon by compressed air via the pressure lines 24a, 25 and an intermediate valve unit 26 and the shaft 20 is set in rotation due to the expansion of the compressed air in its interior. About the shaft 20, the transmission 900 and in the sequence of the generator 18 for short-term supply of electrical energy in the power grid is powered. The expansion machine 21 rotates faster than the generator 18.
Bevor die Druckluft der Expansionsmaschine 21 zugeführt wird, durchströmt diese den Wärmespeicher 23. Der Wärmespeicher 23 besteht aus wärmebeständigem, preiswerten und durchströmbarem Material, beispielsweise aus aufgestapelten Lochziegeln, die von der aus dem Kompressor 19 eingeleiteten und zur Expansionsmaschine 21 ausgeleiteten Druckluft in jeweils entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Beim Ausleiten der Druckluft zur Expansionsmaschine 21 nimmt die Druckluft beim Durchströmen des Wärmespeichers 23 Wärme auf, wodurch die bei der Expansion zur Verfügung stehende Energie erhöht und eine Eisbildung innerhalb der Expansionsmaschine 21 vermieden wird.Before the compressed air is supplied to the expansion machine 21, this flows through the heat accumulator 23. The heat storage 23 consists of heat-resistant, inexpensive and flow-through material, for example, stacked perforated bricks, the discharged from the compressor 19 and discharged to the expander 21 compressed air in each opposite direction be flowed through. When the compressed air is discharged to the expansion machine 21, the compressed air absorbs heat as it flows through the heat accumulator 23, whereby the energy available during the expansion is increased and ice formation within the expansion machine 21 is avoided.
Des weiteren nimmt der Wärmespeicher 23 beim Einleiten heißer Druckluft aus dem Kompressor 19 in den Turmspeicher 22 Wärme aus der Druckluft auf, womit deren Luftdichte steigt und eine größere Druckluftmasse gespeichert werden kann.Furthermore, the heat accumulator 23 takes on the introduction of hot compressed air from the compressor 19 in the tower storage 22 heat from the compressed air, which increases their air density and a larger compressed air mass can be stored.
Die in Fig. 3 dargestellte Windkraftanlage 220 ist gegenüber der Ausführung nach Fig. 2 dadurch erweitert, dass zusätzlich zum Turmspeicher 22 ein unterirdisches Speicherreservoir 27 zur Speicherung der Druckluft vorgesehen ist. Dies eröffnet einerseits die Möglichkeit, das unterirdische Speicherreservoir 27 mit dem Turmspeicher 22 parallel zu schalten. Das heißt sowohl im Turmspeicher 22 als auch im unterirdischen Speicherreservoir 27 herrscht der gleiche Luftdruck, wobei der zu durchströmende Wärmespeicher 23 trotz der größeren, gespeicherten Druckluftmenge im Turmspeicher 22 verbleibt.The wind turbine 220 shown in Fig. 3 is compared to the embodiment of FIG. 2 extended by the fact that in addition to the tower memory 22, an underground storage reservoir 27 is provided for storing the compressed air. On the one hand, this opens up the possibility of switching the underground storage reservoir 27 in parallel with the tower storage 22. That is, both in the tower storage 22 and in the underground storage reservoir 27, the same air pressure prevails, the heat storage medium 23 to be flowed through remaining in the tower storage 22 despite the larger amount of compressed air stored.
Andererseits kann das unterirdische Speicherreservoir 27 unter höherem Luftdruck stehen als der Turmspeicher 22, wodurch die Windkraftanlage 220 mit einer zweistufigen Kompression und Expansion der Druckluft betrieben werden kann. Bei dieser Ausführungsform wird dann zwischen Turmspeicher 22 und unterirdischem Speicherreservoir 27 eine Verdichter- und Expansionsstation 28 installiert.On the other hand, the underground storage reservoir 27 can be under higher air pressure than the tower storage 22, whereby the wind turbine 220 can be operated with a two-stage compression and expansion of the compressed air. In this embodiment, a compressor and expansion station 28 is then installed between tower storage 22 and underground storage reservoir 27.
Die Verdichter- und Expansionsstation 28 ist über Druckleitungen 29, 30 einerseits mit dem Turmspeicher 22 und andererseits mit dem Speicherreservoir 27 verbunden. Weiterhin kann die Verdichter- und Expansionsstation 28 mit einem hier nicht dargestellten, zusätzlichen Wärmespeicher und/oder einer Kühlung für die Kompression der Luft sowie einer Feuerung für die Expansion der Luft ausgestattet sein.The compressor and expansion station 28 is connected via pressure lines 29, 30 on the one hand to the tower storage 22 and on the other hand to the storage reservoir 27. Furthermore, the compressor and expansion station 28 may be equipped with an additional heat storage, not shown here, and / or a cooling for the compression of the air and a furnace for the expansion of the air.
Mit der in Fig. 2 dargestellten Windkraftanlage 200 können kurzfristige Windenergie-Bedarfsschwankungen im Minutenbereich ausgeglichen werden, während die Windkraftanlage 220 nach Fig. 3 durch das zusätzliche, unterirdische Speicherreservoir 27 Windenergie- und Bedarfsschwankungen im Stundenbereich ausgleichen kann.With the wind turbine 200 shown in Fig. 2 short-term wind energy demand fluctuations in the minute range can be compensated, while the wind turbine 220 of FIG. 3 through the additional, underground storage reservoir 27 can compensate for wind energy and demand fluctuations in the hourly range.
Desweiteren besteht die Möglichkeit, die Druckluft unterseeisch in einem Speicherreservoir zu speichern, so dass die Windkraftanlage 220 in Offshore- Windparks eingesetzt werden kann. Furthermore, it is possible to store the compressed air undersea in a storage reservoir, so that the wind turbine 220 can be used in offshore wind farms.
Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Windpark1 wind farm
2 Windkraftanlage / Windenergieanlage2 wind turbine / wind turbine
3 Fundament3 foundation
4 Turm4 tower
5 Gondel5 gondola
6 Rotorblatt / Rotor6 rotor blade / rotor
7 Rotornabe7 rotor hub
8 Antriebswelle8 drive shaft
9 Getriebe9 gears
10 Kompressoreinheit10 compressor unit
11 Steuer- und Überwachungseinheit11 control and monitoring unit
12 Turmspeicher12 tower storage
13 Druckleitung13 pressure line
14 Windrichtungsnachführung14 wind direction tracking
15 Anbindungseinheit / Druckventil - Verteilerelement15 Connecting unit / pressure valve - distributor element
16 Einheit aus Druckluftmotor und Asynchrongenerator16 unit of compressed air motor and asynchronous generator
17 Druckleitungsnetz / Druckleitungen17 Pressure line network / pressure lines
18 Generator18 generator
19 Kompressor19 compressor
20 Antriebswelle20 drive shaft
21 Expansionsmaschine21 expansion machine
22 Turmspeicher22 tower storage
23 Wärmespeicher23 heat storage
24a, b Druckleitungen24a, b pressure lines
25 Druckleitung25 pressure line
26 Ventileinheit26 valve unit
27 Unterirdisches Speicherreservoir27 Underground storage reservoir
28 Verdichter- und Expansionsstation Druckleitung Druckleitung Windkraftanlage Windkraftanlage Fundament Turm Gondel Rotorblatt Rotornabe Antriebswelle Getriebe 28 compressor and expansion station Pressure line Pressure line Wind turbine Wind turbine Foundation Tower Gondola Rotor blade Rotor hub Drive shaft Transmission

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage (2), die einen im Fundament (3) verankerten Turm (4) und eine von diesem getragene, mit einem Rotor (6) versehene Gondel (7) sowie eine in der Gondel angeordnete Kompressoreinheit (10), die an einen Druckluftspeicher angeschlossen ist, umfasst, wobei der Druckluftspeicher zur Vergleichmäßigung der aus- gangsseitigen Energieproduktion die Druckluft zur Umwandlung in elektrische Energie an einen elektrischen Generator abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (4) abgedichtet und in diesen die von der Kompressoreinheit1. A method for operating a wind turbine (2) having a foundation (3) anchored tower (4) and carried by this, with a rotor (6) provided nacelle (7) and arranged in the nacelle compressor unit (10) connected to a compressed air reservoir, wherein the compressed air reservoir for equalizing the output side energy production, the compressed air for conversion into electrical energy to an electric generator outputs, characterized in that the tower (4) sealed and in this from the compressor unit
(10) erzeugte Druckluft zur Zwischenspeicherung eingespeist wird.(10) generated compressed air is fed to the intermediate storage.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftspeicherung zum Betrieb mit einem Wärmespeicher (23) kombiniert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the compressed air storage for operation with a heat storage (23) is combined.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (23) von der Druckluft bei der Ein- und Ausleitung im Gegenstrom durchströmt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the heat accumulator (23) is flowed through by the compressed air in the inlet and outlet in countercurrent.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmespeicher (23) heiße Druckluft aus der Kompressoreinheit (10, 19) zugeleitet wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the heat accumulator (23) hot compressed air from the compressor unit (10, 19) is supplied.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Wärmespeicher (23) ausströmende Druckluft über eine Expansionsmaschine (21 ) geleitet wird.5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that the out of the heat accumulator (23) outflowing compressed air via an expansion machine (21) is passed.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturregelung der Druckluft die aus dem Wärmespeicher (23) austretende, heiße Druckluft mit direkt aus dem Turmspeicher (12, 22) entnommener, kalter Druckluft gemischt wird.6. The method according to any one of claims 3 to 5, characterized in that for the temperature control of the compressed air from the heat accumulator (23) exiting, hot compressed air with directly from the tower memory (12, 22) removed, cold compressed air is mixed.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle oder zumindest mehrere Windkraftanlagen (2) eines Windparks die in den Türmen (4) zwischengespeicherte Druckluft auf einen zentralen Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator (16) speisen.7. The method according to claim 1, characterized in that all or at least several wind turbines (2) of a wind farm fed in the towers (4) cached compressed air to a central air motor with coupled speed constant asynchronous generator (16).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Ventilregelung am Asynchrongenerator (16) ein immer gleicher Druck eingehalten wird.8. The method according to claim 7, characterized in that by means of valve control on the asynchronous generator (16) an always equal pressure is maintained.
9. Windkraftanlage (2), die einen im Fundament verankerten Turm (4) und eine von diesem getragene, mit einem Rotor (6) versehene Gondel (7( sowie eine in der Gondel angeordnete Kompressoreinheit (10), die an einen Druckluftspeicher angeschlossen ist, umfasst, wobei der Druckluftspeicher zur Vergleichmäßigung der ausgangsseitigen Energieproduktion die Druckluft zur Umwandlung in elektrische Energie an einen elektrischen Generator abgibt, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (4) nach außen abgedichtet als Turmspeicher (12) ausgebildet ist und die über eine Antriebswelle (8) unter Zwischenschaltung eines Getriebes (9) mit dem Rotor (6) verbundene Kompressoreinheit (10) eine an den Turmspeicher (12) angeschlossene Druckleitung (13) aufweist.9. Wind turbine (2) having a tower anchored in the foundation (4) and carried by this, with a rotor (6) provided with nacelle (7 (and arranged in the nacelle compressor unit (10) which is connected to a compressed air reservoir , wherein the compressed air reservoir for equalizing the output-side energy production discharges the compressed air for conversion into electrical energy to an electric generator, in particular for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the tower (4) sealed to the outside as a tower memory (12) and the via a drive shaft (8) with the interposition of a transmission (9) with the rotor (6) connected to the compressor unit (10) one to the tower memory ( 12) has connected pressure line (13).
10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine am oberen Ende des Turms (4) vorgesehene Windrichtungsnachführung (14) mit integrierter Druckluftübergabe von der Kompressoreinheit (10) zum Turmspeicher (12) ausgebildet ist.10. Wind turbine according to claim 9, characterized in that at the upper end of the tower (4) provided Windrichtungsnachführung (14) with integrated compressed air transfer from the compressor unit (10) to the tower memory (12) is formed.
11. Windkraftanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmspeicher (12) an eine Einheit (16) aus einem Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator angeschlosen ist.11. Wind power plant according to claim 9 or 10, characterized in that the tower memory (12) is connected to a unit (16) of a compressed air motor with a coupled constant-speed asynchronous generator.
12. Windkraftanlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Druckventil-Verteilerelement als Anbindungseinheit (15) zum Druckluftmotor mit Asynchrongenerator.12. Wind power plant according to claim 6, characterized by a pressure-valve distributor element as a connection unit (15) for the compressed air motor with asynchronous generator.
13. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Turmspeicher (22) ein aus einem wärmebeständigen und durchströmbaren Material bestehender Wärmespeicher (23) integriert ist.13. Wind turbine according to one of claims 9 to 12, characterized in that in the tower memory (22) is integrated from a heat-resistant and flow-through material existing heat storage (23).
14. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmspeicher (22) mit einem unterirdischen Speicherreservoir (27) verbunden ist.14. Wind power plant according to one of claims 9 to 13, characterized the tower storage (22) is connected to an underground storage reservoir (27).
15. Windkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Turmspeicher (22) und dem Speicherreservoir (27) eine Verdichter- und Expansionsstation (28) angeordnet ist.15. Wind power plant according to claim 14, characterized in that between the tower storage (22) and the storage reservoir (27) a compressor and expansion station (28) is arranged.
16. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gondel (500) eine zusätzlich zu der Rotorachse (800) mit dem Getriebe (900) verbundene, zuschaltbare Expansionsmaschine (21 ) angeordnet ist und das Getriebe (900) ausgangsseitig mit einem Generator (18) sowie diesem nachgeschalteten, ebenfalls zuschaltbaren Kompressor (19) verbunden ist.16. Wind turbine according to one of claims 9 to 15, characterized in that in the nacelle (500) in addition to the rotor axis (800) with the transmission (900) connected, switchable expansion machine (21) is arranged and the transmission (900) On the output side with a generator (18) and this downstream, also switchable compressor (19) is connected.
17. Windkraftanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die zuschaltbare Expansionsmaschine (21 ) als auch der zuschaltbare Kompressor (19) jeweils über Druckleitungen (24a, 24b, 25) mit dem Turmspeicher und dem Wärmespeicher (23) verbunden sind. 17. Wind power plant according to claim 16, characterized in that both the switchable expansion machine (21) and the switchable compressor (19) in each case via pressure lines (24a, 24b, 25) are connected to the tower storage and the heat storage (23).
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