WO2010142263A2 - Windenergieanlage mit kühlstromrückführung - Google Patents

Windenergieanlage mit kühlstromrückführung Download PDF

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    • F03D80/60—Cooling or heating of wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after having cooled one or more components the cooling fluid is recovered and used elsewhere for other purposes
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind energy plant comprising a tower, a nacelle arranged on the tower, an energy conversion unit arranged in the nacelle, a rotor connected to the energy conversion unit, which has at least one rotor blade connected to a hub, and a space arranged externally in the wind energy plant Fresh air supplying and exhaust air to the outside laxative device for cooling arranged in the space wind turbine components.
  • the removal of the power loss occurring in the form of heat takes place regularly by a guided in the wind turbine airflow or by air cooled in a heat exchanger cooling liquids, which are brought to the corresponding heat loss components of the wind turbine. It takes from the outside into the wind turbine fresh air guided the heat loss directly to the heat loss components or to the heat exchanger elements of a cooling unit and is discharged as a warm, the power loss of the components or the heat exchanger laxative exhaust air from the wind turbine.
  • the refrigeration-sensitive and the heat-sensitive components are regularly arranged together next to one another in the same space or compartment of the wind turbine, e.g. in the tower, in the nacelle or in the hub, and at a reduced by a reduced fan speed flow velocity of the cold air through the space in the wind turbine sufficient dissipation of the heat loss of heat-sensitive components can not be adequately ensured.
  • the object of the invention is therefore to provide a wind turbine, which can be controlled by simple means, especially in cold climates so that sufficient cooling heat-sensitive wind turbine components without lowering the room temperature is ensured below critical for cold-sensitive wind turbine components temperature values.
  • the basic idea of the invention is to return a partial flow of the fresh air heated by the heat emitted by the components of the wind energy plant, which is usually completely removed as exhaust air from the wind energy plant, into the space of the wind energy plant so that the inflow of cold fresh air exceeds the proportion in determines the space recycled exhaust air, fresh air and exhaust air mixed together and a critical for the operation of the wind turbine low temperature can be avoided while still ensuring adequate cooling.
  • the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment illustrated in the drawings and particularly preferred. Showing:
  • Fig. 1 is a perspective view of a wind turbine according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the air circulation inside the
  • FIG. 1 shows a perspective view of a particularly preferred embodiment
  • Wind energy plant 10 has a tower 20, a gondola 30 arranged on the tower 20 and an energy conversion unit (not visible) arranged in the gondola 30.
  • the energy conversion unit is connected to a rotor, which in the example shown has three rotor blades 50a, 50b, 50c connected to a hub 40, it being irrelevant to the execution of the invention how many rotor blades are actually provided.
  • the wind turbine 10 For cooling the components arranged in one of the rooms set up in the wind turbine 10, e.g. Transmission, bearings, hydraulic systems, rectifiers, transformers, heat exchangers, etc., the wind turbine 10 further has a space, z. As the gondola 30, outside fresh air supply and exhaust to the outside laxative device, which dissipates the heat loss of the arranged in the nacelle 30 wind turbine components 60. Alternatively or additionally, the wind turbine 10 further cooling devices for the same room or other rooms, eg. As the tower 20 or the hub 40, have. The space may occupy only a portion of the tower 20, the nacelle 30 or the hub 40.
  • the outside of the room supplying fresh air and exhaust air to the outside laxative device may be formed as a simple inlet and outlet opening (s), wherein in addition a fan and various filters may be provided.
  • the air flows of fresh air and exhaust air as shown schematically in Fig. 2, for example, performed as follows.
  • One in the space 100 of the wind turbine 10, such as tower 20, nacelle 30 or hub 40, arranged component 60, such as the transmission, the generator, a hydraulic actuator or a heat exchanger, is supplied from the outside of the wind turbine 10 from the outside cool fresh air.
  • the passing past the component 60 or the component 60 flowing through fresh air absorbs the output from the component 60 heat loss and is discharged from the interior 100 of the wind turbine 10 as exhaust air to the outside environment.
  • an actuator 70 is now provided which is operated manually or automatically and which is a partial flow of the exhaust air, i. a partial flow of the heat loss of the component 60 with leading air, back into the space 100 of the wind turbine 10.
  • the actuator 70 is preferably set up so that the (volume) proportion of the partial flow can be determined on the total exhaust air, wherein the proportion of the partial flow may be 100%, for example when starting the system at low outdoor temperatures. Circulating the exhaust air in the space 100 of the wind turbine 10 prevents at a time when there is no need for cooling, the entry of fresh air into the room 100. In further operation and increasing heating of the components, the proportion of
  • Partial flow is reduced to a lower value than 100% of the total exhaust air, so that a portion of the exhaust air is discharged to the outside and cold fresh air in the room 100 is tracked by the suction effect when removing the exhaust air.
  • warm exhaust air and cold entering the room 100 fresh air mixed together and leads with appropriate control of the proportion of recirculated exhaust air partial flow or the amount of fresh air replenished thereby to a favorable for the operation of the system room temperature.
  • a control acting on the actuator 70 which controls the proportion of the partial flow to the total exhaust air in dependence on various parameters.
  • the controller feeds the partial flow of exhaust air or - when several actuators 70 - a plurality of partial exhaust air streams to the respective components 60, so that their temperature does not fall below a predetermined limit.
  • the temperature limit value can be determined individually for each individual component, for example, or for a plurality of components 60 arranged in an inner space 100 that highest temperature value may not be exceeded for a specific component 60 arranged therein.
  • a table of the components 60 can be stored in the control, in which the minimum and / or the maximum permissible temperature value is arranged hierarchically, so that that component 60 whose minimum or maximum permissible temperature value is exceeded or exceeded, the proportion of the partial flow of Exhaust air determined on the total volume of exhaust air.
  • the actuator 70 may be formed in the simplest case as an element that determines the cross section of the exhaust air provided for the outlet (and to avoid excessive overpressure in the wind turbine 10 and the intended for the fresh air inlet). However, the actuator 70 can also be set up such that a partial volume of the exhaust air can be divided into different partial flows by means of corresponding lines and can be sent to different components 60 of the wind turbine 10 in different proportions.
  • Advantage of the invention is that wind turbines can be operated even in extremely cold climates, without it - in addition to the already required as absolutely necessary heating elements - additional structures for the heating of components 60 of the wind turbine 10 requires the drop in temperature To prevent components 60 from operating below a critical limit.
  • the Invention in a simple manner a uniform temperature of all critical areas within the system.

Abstract

Windenergieanlage (10) mit einem Turm (20), einer auf dem Turm (20) angeordneten Gondel (30), einer in der Gondel (30) angeordneten Energiewandlungseinheit, einem mit der Energiewandlungseinheit verbundenen Rotor, der wenigstens ein an einer Nabe (40) angeschlossenes Rotorblatt (50a, 50b, 50c) aufweist, und einer einem in der Windenergieanlage (10) angeordneten Raum (100) von Außen Frischluft zuführenden und Abluft nach Außen abführenden Einrichtung zur Kühlung von in dem Raum (100) angeordneten Windenergieanlagekomponenten (60), gekennzeichnet durch ein einen Teilstrom der Abluft in den Raum (100) rückführendes Stellglied (70).

Description

Windenergieanlage mit Kühlstromrückführung
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Turm, einer auf dem Turm angeordneten Gondel, einer in der Gondel angeordneten Energiewandlungseinheit, einem mit der Energiewandlungseinheit verbundenen Rotor, der wenigstens ein an einer Nabe angeschlossenes Rotorblatt aufweist, und einer einem in der Windenergieanlage angeordneten Raum von Außen Frischluft zuführenden und Abluft nach Außen abführenden Einrichtung zur Kühlung von in dem Raum angeordneten Windenergieanlagekomponenten.
Um Beschädigungen der Komponenten von Windenergieanlagen, wie etwa dem Getriebe, dem Rotorlager, verschiedenen Hydraulikanlagen, dem Gleichrichter, dem Transformator etc durch übermäßige Erwärmung vorzubeugen, ist es notwendig die Verlustleistung dieser Komponenten abzuführen.
Wie allgemein bekannt erfolgt die Beseitigung der in Form von Wärme auftretenden Verlustleistung regelmäßig durch einen in der Windenergieanlage geführten Luftstrom oder durch in einem Wärmetauscher luftgekühlten Kühlflüssigkeiten, die an die entsprechenden Verlustwärme abgebenden Komponenten der Windenergieanlage herangeführt werden. Dabei nimmt von Außen in die Windenergieanlage geführte Frischluft die Verlustwärme direkt an den die Verlustwärme abgebenden Komponenten oder an den Wärmetauscherelementen eines Kühlaggregats auf und wird als warme, die Verlustleistung von den Komponenten oder dem Wärmetauscher abführende Abluft aus der Windenergieanlage abgeführt.
Bei Windenergieanlagen in besonders kalten Klimaten, wie z.B. in der inneren Mongolei, in Sibirien und auch in Kanada, kann jedoch zumindest zeitweise das Problem auftreten, dass die in die Windenergieanlage eingebrachte Frischluft eine derart niedrige Temperatur aufweist, dass verschiedene Komponenten der Windenergieanlage, wie z.B. der Generator oder die Elektronik, auf eine derart niedrige, für den Betrieb der Komponenten der Windenergieanlage kritische Temperatur heruntergekühlt werden, dass Störungen oder Schäden an diesen Komponenten auftreten können. Allgemein bekannt ist es daher, den Zustrom der kalten Luft in die Windenergieanlage durch drehzahlregulierte Lüfter zu steuern, um dadurch ein Herabsinken der Temperatur in der Windenergieanlage unter einen für bestimmte kälteempfindliche Komponenten kritischen Wert zu verhindern.
Hierbei ist es aber insbesondere problematisch, dass die kälteempfindlichen und die wärmeempfindlichen Komponenten regelmäßig gemeinsam nebeneinander in demselben Raum oder Kompartiment der Windenergieanlage angeordnet sind, z.B. im Turm, in der Gondel oder in der Nabe, und bei einer durch eine verringerte Lüfterdrehzahl verringerte Strömungsgeschwindigkeit der kalten Luft durch den Raum in der Windenergieanlage eine ausreichende Abfuhr der Verlustwärme von wärmeempfindlichen Komponenten nicht hinreichend sichergestellt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Windenergieanlage bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln insbesondere in kalten Klimaten derart gesteuert werden kann, dass eine ausreichende Kühlung wärmeempfindlicher Windenergieanlagekomponenten ohne Absinken der Raumtemperatur unterhalb von für kälteempfindliche Windenergieanlagekomponenten kritische Temperaturwerte gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Windenergieanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, einen Teilstrom der durch die von den Komponenten der Windenergieanlage abgegebene Wärme erwärmte Frischluft, die üblicherweise vollständig als Abluft aus der Windenergieanlage entfernt wird, in den Raum der Windenergieanlage wieder rückzufuhren, sodass der Zustrom kalter Frischluft über den Anteil in den Raum rückgeführter Abluft bestimmt, Frischluft und Abluft miteinander vermengt und eine für den Betrieb der Windenergieanlage kritische niedrige Temperatur vermieden werden kann und dennoch eine ausreichende Kühlung gewährleistet bleibt. Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Windenergieanlage nach der Erfindung; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Luftzirkulation im Innern der
Windenergieanlage.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer besonders bevorzugt ausgestalteten
Windenergieanlage 10. Die Windenergieanlage 10 weist einen Turm 20, eine auf dem Turm 20 angeordnete Gondel 30 und eine in der Gondel 30 (nicht sichtbar) angeordnete Energiewandlungseinheit auf. Die Energiewandlungseinheit ist mit einem Rotor verbunden, der im gezeigten Beispiel drei an einer Nabe 40 angeschlossene Rotorblätter 50a, 50b, 50c aufweist, wobei es zur Ausführung der Erfindung unerheblich ist, wieviele Rotorblätter tatsächlich vorgesehen sind.
Zur Kühlung der in einem der in der Windenergieanlage 10 eingerichteten Räume angeordneten Komponenten, z.B. Getriebe, Lager, Hydraulikanlagen, Gleichrichter, Transformator, Wärmetauscher etc., weist die Windenergieanlage 10 weiter eine einem Raum, z. B. der Gondel 30, von Außen Frischluft zufuhrende und Abluft nach Außen abführende Einrichtung auf, die die Verlustwärme der in der Gondel 30 angeordneten Windenergieanlagekomponenten 60 abführt. Alternativ oder zusätzlich kann die Windenergieanlage 10 weitere Kühleinrichtungen für denselben Raum oder weitere Räume, z. B. den Turm 20 oder die Nabe 40, aufweisen. Der Raum kann auch nur einen Teilbereich des Turms 20, der Gondel 30 oder der Nabe 40 einnehmen.
Die dem Raum von Außen Frischluft zuführende und Abluft nach Außen abführende Einrichtung kann als einfache Einlass- und Auslassöffnung(en) ausgebildet sein, wobei zusätzlich ein Ventilator und verschiedene Filter vorgesehen sein können. Dabei werden die Luftströme von Frischluft und Abluft, wie in Fig. 2 schematisch gezeigt, beispielsweise folgendermaßen geführt. Einer im Raum 100 der Windenergieanlage 10, z.B. Turm 20, Gondel 30 oder Nabe 40, angeordneten Komponente 60, z.B. dem Getriebe, dem Generator, einer hydraulischen Stelleinrichtung oder einem Wärmetauscher, wird aus der Umgebung der Windenergieanlage 10 von Außen kühle Frischluft zugeführt. Die an der Komponente 60 vorbeistreichende oder die die Komponente 60 durchströmende Frischluft nimmt die von der Komponente 60 abgegebene Verlustwärme auf und wird aus dem Innenraum 100 der Windenergieanlage 10 als Abluft an die äußere Umgebung abgegeben.
Erfindungsgemäß ist nun ein Stellglied 70 vorgesehen, das manuell oder automatisch bedient wird und das einen Teilstrom der Abluft, d.h. einen Teilstrom der die Verlustwärme der Komponente 60 mit sich führenden Luft, wieder in den Raum 100 der Windenergieanlage 10 zurückführt.
Das Stellglied 70 ist bevorzugt derart eingerichtet, dass der (Volumen-) Anteil des Teilstroms an der gesamten Abluft bestimmt werden kann, wobei der Anteil des Teilstroms beispielsweise bei Anfahren der Anlage bei niedrigen Außentemperaturen 100 % betragen kann. Ein Zirkulieren der Abluft im Raum 100 der Windenergieanlage 10 verhindert zu einem Zeitpunkt, zu dem kein Kühlbedarf besteht, den Eintritt von Frischluft in den Raum 100. Im weiteren Betrieb und zunehmender Erwärmung der Komponenten wird der Anteil des
Teilstroms an der gesamten Abluft auf einen geringeren Wert als 100 % gesenkt, sodass ein Teil der Abluft nach Außen abgeführt wird und kalte Frischluft in den Raum 100 durch die beim Abführen der Abluft entstehende Sogwirkung nachgeführt wird. Dabei vermengt sich warme Abluft und kalte, in den Raum 100 eintretende Frischluft miteinander und führt bei geeigneter Regelung des Anteils des rückgeführten Abluftteilstroms bzw. der dadurch nachgeführten Frischluftmenge zu einer für den Betrieb der Anlage günstigen Raumtemperatur.
Hierzu ist schließlich auch eine auf das Stellglied 70 wirkende Steuerung vorgesehen, die den Anteil des Teilstroms an der gesamten Abluft in Abhängigkeit verschiedener Parameter steuert. Beispielsweise können an den Verlustwärme abgebenden Komponenten 60 der Windenergieanlage und/oder in den Räumen 100 der Windenergieanlage 10, wie etwa Turm 20, Gondel 30 und Nabe 40, Temperatursensoren vorgesehen sein, wobei die Steuerung den Teilstrom der Abluft oder - bei Einrichtung mehrerer Stellglieder 70 - mehrere Abluftteilströme den jeweiligen Komponenten 60 zufuhrt, damit deren Temperatur nicht unter einen vorbestimmten Grenzwert sinkt.
Der Temperaturgrenzwert kann dabei beispielsweise für jede einzelne Komponente individuell bestimmt sein oder für mehrere in einem Innenraum 100 angeordnete Komponenten 60 derjenige höchste Temperaturwert sein, der für eine bestimmte darin angeordnete Komponente 60 nicht unterschritten werden darf.
Insbesondere kann in der Steuerung eine Tabelle der Komponenten 60 hinterlegt sein, bei denen der minimal und/oder der maximal zulässige Temperaturwert hierarchisch angeordnet ist, sodass diejenige Komponente 60, deren minimal oder maximal zulässiger Temperaturwert unter- oder überschritten wird, den Anteil des Teilstroms der Abluft am Gesamtvolumen der Abluft bestimmt.
Das Stellglied 70 kann im einfachsten Fall als ein Element ausgebildet sein, das den Querschnitt des für die Abluft vorgesehenen Auslasses (und zur Vermeidung eines zu großen Überdrucks in der Windenergieanlage 10 auch des für die Frischluft vorgesehenen Einlasses) bestimmt. Das Stellglied 70 kann aber auch so eingerichtet sein, dass ein Teilvolumen der Abluft unter Einrichtung entsprechender Leitungen in verschiedene Teilströme aufgeteilt und verschiedenen Komponenten 60 der Windenergieanlage 10 in verschiedenen Anteilen zukommen lässt.
Vorteil der Erfindung ist es, dass Windenergieanlagen auch in extrem kalten Klimaten betrieben werden können, ohne dass es - außer den ohnehin bereits als unbedingt notwendig vorgesehenen Heizelementen - zusätzlicher Strukturen für die Beheizung von Komponenten 60 der Windenergieanlage 10 bedarf, um das Absinken der Temperatur der Komponenten 60 im Betrieb unter einen kritischen Grenzwert zu verhindern. Insbesondere ermöglicht die Erfindung auf einfache Weise eine gleichmäßige Temperierung aller kritischen Bereiche innerhalb der Anlage.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Windenergieanlage (10) mit
- einem Turm (20),
- einer auf dem Turm (20) angeordneten Gondel (30),
- einer in der Gondel (30) angeordneten Energiewandlungseinheit,
- einem mit der Energiewandlungseinheit verbundenen Rotor, der wenigstens ein an einer Nabe (40) angeschlossenes Rotorblatt (50a, 50b, 50c) aufweist, und
- einer einem in der Windenergieanlage (10) angeordneten Raum (100) von Außen Frischluft zuführenden und Abluft nach Außen abführenden Einrichtung zur Kühlung von in dem Raum (100) angeordneten Windenergieanlagekomponenten (60),
gekennzeichnet durch
ein einen Teilstrom der Abluft in den Raum (100) rückführendes Stellglied (70).
2. Windenergieanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (100) der vom Turm (20) umschlossene Innenraum, der von der Gondel (30) umschlossene Innenraum oder der von der Nabe (40) umschlossene Innenraum ist.
3. Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine auf das Stellglied (70) wirkende Steuerung.
4. Windenergieanlage (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch wenigstens einen mit der Steuerung verbundenen, an einer kälteempfindlichen Windenergieanlagekomponente (60) und/oder an einer wärmeempfindlichen Windenergieanlagekomponente (60) angeordneten Temperatursensor.
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