DE10000370A1 - Windenergieanlage mit einem geschlossenen Kühlkreislauf - Google Patents

Abstract

Bei der Umformung von Energie entstehen regelmäßig Verluste in Form von Wärme. Dies gilt sowohl bei von der Umformung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie im Generator einer Windenergieanlage, wobei sich diese Verluste regelmäßig im Hauptantriebsstrang der Windenergieanlage einstellen als auch bei der elektrischen Einspeisung der von der Windenergienanlage erzeugten Energie in ein Mittelspannungsnetz. Hierzu sind regelmäßig Einrichtungen der Leistungselektronik, beispielsweise Wechselrichter und/oder Transformatoren notwendig. Im Hauptantriebsstrang, welcher über eine Windenergieanlage in der Gondel der Windenergieanlage untergebracht ist, entstehen die Verluste maßgeblich im Getriebe, an den Lagern und im Generator oder an anderen Steuereinheiten wie z. B. in den Hydraulikanlagen oder ähnlichen Steuer- und Regelungseinheiten, mittels denen die Rotorblätter angestellt oder wie Windenergieanlage zum Wind gestellt wird. Bei getriebelosen Windenergieanlagen, z. B. vom Typ E-66 der Firma Enercon, entstehen die Hauptverluste beim Hauptantriebsstrang im Generator, d. h. in der Gondel (Kopf) der Windenergieanlage. DOLLAR A Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Kühlung für eine Windenergieanlage vorzusehen, welche die Verluste der Windenergieanlage reduziert. DOLLAR A Windenergieanlage (1) mit einem völlig geschlossenen oder wenigstens teilweise geschlossenen Kühlkreislauf, bei welchem die aus dem Kühlkreislauf abzuführende Wärme ...

Description

Bei der Umformung von Energie entstehen regelmäßig Verluste in Form von Wär­ me. Dies gilt sowohl bei von der Umformung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie im Generator einer Windenergieanlage, wobei sich diese Verluste regelmäßig im Hauptantriebsstrang der Windenergieanlage einstellen als auch bei der elektrischen Einspeisung der von der Windenergienalage erzeugten Energie in ein Mittelspannungsnetz. Hierzu sind regelmäßig Einrichtungen der Leistungselektronik, beispielsweise Wechselrichter und/oder Transformatoren not­ wendig. Im Hauptantriebsstrang, welcher über eine Windenergieanlage in der Gon­ del der Windenergieanlage untergebracht ist, entstehen die Verluste maßgeblich im Getriebe, an den Lagern und im Generator oder an anderen Steuereinheiten wie z. B. in den Hydraulikanlagen oder ähnlichen Steuer- und Regelungseinheiten, mittels denen die Rotorblätter angestellt oder die Windenergieanlage zum Wind gestellt wird. Bei getriebelosen Windenergieanlagen, z. B. vom Typ E-66 der Firma Enercon, entstehen die Hauptverluste beim Hauptantriebsstrang im Generator, d. h. in der Gondel (Kopf) der Windenergieanlage.

Bei der Netzeinspeisung entstehen maßgeblich die Verluste beim Netztransformator und ggf. in der Leistungselektronik, z. B. im Wechselrichter.

Bei einer 1,5 Megawatt Windenergieanlage können die Verluste durchaus im Be­ reich von 60 bis 100 kW liegen. Diese Verluste werden bislang über Lüfter an die Umgebung abgeführt. Dabei wird mittels der Lüfter kalte Luft von außen angesaugt und das entsprechende Bauteil, z. B. der Generator gekühlt. Die erwärmte Luft wird anschließend wieder nach außen geblasen.

Es sind auch bereits Überlegungen darüber gemacht worden, den Generator mit Wasser zu kühlen und das dann erwärmte Wasser mit einem Wärmetauscher wie­ der herrunterzukühlen. Alle diese bekannten Lösungen haben gemeinsam, daß stets sehr viel Luft von außen benötigt ist. Dies ist besonders nachteilig, wenn die Außenluft feucht oder - insbesondere in Küstenregionen - salzhaltig ist und die Kühlelemente mit dieser feuchten und salzhaltigen Luft beaufschlagt werden. Be­ sonders extrem ist diese Problematik bei Windenergieanlagen, die direkt an der Küste oder - in der Offshore-Technik - im Salzwasser stehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Kühlung für eine Windenergieanlage vorzusehen, welche die Verluste der Wind­ energieanlage reduziert.

Die Aufgabe wird mit einer Windenergieanlage mit dem Merkmal nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt das Konzept zugrunde, für eine Windenergieanlage einen im wesentlichen geschlossenen Kühlkreislauf vorzusehen, so daß keine oder praktisch keine Außenluft für die Kühlung verwendet werden muß. Hierbei zirkuliert die Kühl­ luft innerhalb der Windenergieanlage von deren Gondel bis in den Turm bzw. zum Fuß der Windenergieanlage und die von dem Kühlmedium, bevorzugt Luft, bei der Kühlung aufgenommene Energie wird über den Turm der Windenergieanlage abge­ geben. Der Turm der Windenergieanlage ist stets dem Wind ausgesetzt, so daß der Turm der Windenergieanlage als Kühlelement oder Wärmetauscher dient, welche die aufgenommene Energie an den den Turm umstreichenden Wind abgibt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzeptes ist es, daß der Turm durch seine Funktion als Wärmetauscher und als tragendes Teil der Windenergieanlage auch bei sehr kalten Außentemperaturen von ca. -20° bis -30°C von innen her auf­ geheizt wird. Dadurch kann die Windenergieanlage auch dann noch in Betrieb blei­ ben. Nach bisherigem Stand der Technik muß ein spezieller kältefester Stahl für sehr kalte Standorte wie z. B. Nord-Schweden, Norwegen, Finnland, Kanada usw. eingesetzt werden.

Es ist auch möglich, wenn dies wegen sehr niedriger Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes erwünscht ist, die Erwärmung der Rotorblätter mit an den Kühl­ kreislauf anzuschließen, so daß für die Erwärmung der Rotorblätter nicht eigens Energie aufgebracht werden muß.

Die Kühlung des Kühlmediums durch den Turm erfolgt dadurch, daß am Turm selbst (innen- oder außenseitig) wenigstens ein Luftkanal ausgebildet wird, durch welchen die erwärmte Luft strömt, damit sie ihre Energie zumindest teilweise an die Turmwandung abgeben kann.

Ein Luftkanal wird bevorzugt dadurch gebildet, daß der Turm doppelwandig ausge­ führt ist, so daß ein Teil des Kühlkanals durch die tragende Wandung des Turms gebildet wird.

Durch die Verwendung des Turms der Windenergieanlage, welcher meist aus Stahl gefertigt ist als Kühlelement bzw. Wärmetauscher, wird ein ohnehin vorhandenes Bauteil, welches jede Windenergieanlage benötigt, in einer vorteilhaften Funktion genutzt. Gewärmte Luft strömt innen im Stahlturm an dessen Außenwand. Diese Außenwand ist sehr großflächig, beispielsweise bei einer 1,5 Megawattanlage etwa 500 qm und bietet daher eine sehr große Aufheiz/Kühlfläche. Der den Turm um­ streichende Wind kühlt diesen kontinuierlich ab.

Die mögliche Kühlleistung des Windes steigt mit ansteigender Windgeschwindigkeit an. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 1 aufgezeigt. Mit steigender Windgeschwin­ digkeit steigt ebenfalls die Generatorleistung und damit auch die Verlustleistung. Der Zusammenhang zwischen der Generatorleistung in Abhängigkeit mit der Wind­ geschwindigkeit ist in Fig. 2 aufgezeigt. Somit können steigende Verlustleistungen relativ leicht abgeführt werden, weil auch die Kühlleistung des Turms der Wind­ energieanlage mit dem Anstieg der Verlustleistung ansteigt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Windenergieanlage vom Typ E-66 der Firma Enercon, welche über eine Generatorleistung von 1,5 Megawatt verfügt. Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine Windenergieanlage 1 mit einer Gondel 2 am Kopfende, welche von einem Turm 3 getragen wird. Dieser Turm ist im Erdboden verankert (nicht dargestellt).

Die Gondel nimmt den Hauptantriebsstrang der Windenergieanlage auf. Dieser Hauptantriebsstrang besteht im wesentlichen aus einem Rotor 4 mit daran angebrachten Rotorblätter 5 (nur im Ausriß dargestellt) sowie einem mit dem Rotor verbundenen Generator 3, welcher seinerseits einen Generatorläufer 6 und einen Generatorstator 7 aufweist. Dreht sich der Rotor und damit der Generatorläufer, wird elektrische Energie, beispielsweise als Wechselstrom (Gleichstrom) erzeugt.

Ferner weist die Windenergieanlage einen Transformator 8, sowie diesem vorge­ schaltet ein Wechselrichter 9 auf, wobei der Wechselrichter dem Transformator die elektrische Energie in der Form eines Wechsel- bzw. Drehstroms zuführt. Der Transformator speist die von der Windenergieanlage erzeugte Energie in ein Netz, vorzugsweise ein Mittelspannungsnetz (nicht dargestellt).

Der Turm ist - wie in Fig. 3 zu erkennen - zum Teil doppelwandig ausgeführt und bildet in dem doppelwandigen Bereich jeweils einen Kühlkanal aus. In diesem Kühl­ kanal ist ein Ventilator (es können auch mehrere Ventilatoren vorgesehen werden) 10 ausgebildet, welcher die Luft durch die Kühlkanäle treibt.

Fig. 4 zeigt im Querschnitt entlang der Linie A-A nach Fig. 3 die Turmwandung. Hierbei ist zu sehen, daß im dargestellten Beispiel zwei Kühlkanäle 12, 13 ausgebil­ det sind, in dem der Turm über einen bestimmten Bereich doppelwandig ausgeführt ist. Die vom Generator erwärmte Luft fließt nunmehr über einen Luftkanal 13 aus den Maschinen heraus (Gondel) in den oberen Turmbereich. Dort wird die erwärmte Luft an die Innenseite des Stahlturms gelenkt. Der Stahlturm ist - wie bereits erwähnt - auf einer großen Länge, beispielsweise von ca. 50 bis 80% doppelwan­ dig ausgeführt und bildet dort den Kühlkanal 11. Die innenliegende Wand 14 in dem Kühlkanal kann hierbei aus einem einfachen Material, z. B. Kunststoff oder einem Segeltuch bestehen. Die erwärmte Luft vom Generator 3 muß nun über eine große Strecke an der Innenseite des Stahlturms 1 entlangströmen. Dabei wird der Turm bzw. dessen Stahl großflächig aufgewärmt und die Luft hierbei abgekühlt. Im unteren Bereich des Turms befindet sich der Wechselrichter 9 und der Mittelspan­ nungstransformator 8 (und/oder weitere elektrische Einrichtungen). Auch diese Bauteile müssen gekühlt werden. Die abgekühlte Generatorluft wird nun als erstes durch den Wechselrichter geführt. Hiermit werden die Einrichtungen der Leistungs­ elektronik aktiv abgekühlt. Die aus dem Wechselrichter austretende Luft wird nun­ mehr zum Transformator weitergeleitet und kühlt auch den Transformator. An­ schließend steigt die Luft über den zweiten Kühlkanal 12 wieder nach oben zum Maschinenhaus und zum Generator.

Der Kühlkreislauf ist somit geschlossen und es muß nicht notwendigerweise von außen her gekühlte Luft herangeführt werden.

Zur Kühlung aller Bauteile, insbesondere der empfindlichen Bauteile, der Wind­ energieanlage wird somit stets die gleiche Luft verwendet.

Falls notwendig, können selbstverständlich auch Luftfilter und weitere Kühleinrich­ tungen (z. B. Wärmetauscher) im Kühlkanal untergebracht werden, falls dies er­ wünscht ist.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß keine salzhaltige oder feuchte Luft die empfindlichen Komponenten wie Generator, Wechselrichter und Transformator berührt bzw. hiermit in Kontakt kommt. Innerhalb des Maschinenhauses und des Turmes ist die Korrosionsgefahr damit drastisch verringert. In der Windenergie­ anlage, insbesondere in dessen Turm kann sich keine Schimmel- oder Pilzbildung einstellen.

Insgesamt wird für die Kühlung der gesamten Windenergieanlage erheblich weniger Energie als bisher benötigt, da die (sekundäre) Kühlleistung außen am Turm vom Wind erbracht wird.

Durch Ausbildung von Kühlkanälen in den Rotorblättern und durch den Anschluß dieser Kühlkanäle an den erfindungsgemäßen Kühlkreislauf ist es auch möglich, die von dem Generator erwärmte Luft zunächst in die Kühlkanäle der Rotorblätter ein­ zuleiten, so daß in der kalten Jahreszeit, insbesondere bei Temperaturen um den Gefrierpunkt, die Rotorblätter enteist werden können. Die Ausbildung von Kühlka­ nälen in einem Rotorblatt ist beispielsweise auch bekannt aus DE 195 28 862.9.

Die Ausbildung der Kühlkanäle im Maschinenhaus erfolgt durch entsprechende Wandungen und Luftleiteinrichtungen, mittels denen die Luft so gelenkt wird, daß sie auf die Elemente, wie z. B. den Generator trifft.

Es sollte die Kühlleistung des Turmes - beispielsweise an sehr warmen Tagen - nicht ausreichen, ist es auch möglich, in den Kühlkreislauf weitere Kühlelement wie z. B. übliche Wärmetauscher einzuschließen.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Kühlkreislaufs gemäß Fig. 3. Hierbei ist zu sehen, daß die Windenergieanlage zwei separate und unabhängige geschlossene Kühlkreisläufe aufweist, die jeweils die aufgenommene Wärme an den Turm abgeben. Die beiden Kühlkreisläufe sind jedoch - anders als in Fig. 3 dargestellt - voneinander getrennt. Hierbei weist jeder einzelne der Kühlkreisläufe am Wendepunkt innerhalb des Turms eine Durchführung oder einen Querkanal auf, so daß die turmabströmende bzw. turmaufströmende Luft an die jeweils gegen­ überliegende Seite des Turms gelenkt wird und somit weiter abgekühlt jeweils zur zu kühlenden Einheit, sei es den Generator oder die Leistungselektronik geführt wird.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wind­ energieanlage. Hierbei ist durch das Innere des unteren Turmabschnitts ein Luftka­ nal, beispielsweise ein Abluftschlauch geführt. Dieser kann beispielsweise sehr einfach auch bei einer bestehenden Windenergieanlage nachgerüstet werden und im Turm befestigt (aufgehängt) werden. Durch diesen Abluftschlauch wird erwärm­ te Luft, die von einem Leistungsschrank, beispielsweise 600 kW Leistungsschrank stammt vom Turmboden nach oben geführt und tritt am Ausgang des Abluft­ schlauchs in den Turm. Von dort strömt die erwärmte Luft nach Abkühlung an der Turmwandung wieder nach unten und kann dort von einer Lüftungseinrichtung (für Zuluft), die über eine Lufthaube an den Leistungsschrank gekoppelt ist, wieder angesaugt werden. Der Abluftschlauch kann direkt am Luftaustritt des Leistungs­ schranks angeschlossen sein oder am Eingang des Abluftschlauchs ist eine zweite Lüftungseinrichtung vorgesehen, die die erwärmte Luft des Leistungsschranks ansaugt und in den Abluftschlauch bläst. Der Abluftschlauch ist bevorzugt aus Kunststoff und somit sehr leicht ausführbar und verfügt über ein sehr geringes Gewicht, was seine Befestigung und seine Nachrüstung bei einer Windenergieanlage erleichtert.

Zur Verbesserung der Kühlwirkung der Gondel 2 kann diese vollständig oder teilweise aus Metall, bevorzugt Aluminium ausgeführt werden, um somit auch die Kühlwirkung der Gondel, welche ständig vom Wind umströmt wird, auszunutzen und damit die Generatorkühlung zu verstärken. Hierzu kann es auch vorteilhaft sein, die Gondel innenseitig mit einer oberflächenvergrößernden Struktur, beispiels­ weise Kühlrippen auszustatten.

Wie erste Versuche zeigen, ist die Ausführung eines geschlossenen Kühlkreislaufs unter Verwendung des in Fig. 6 gezeigten Luftkanals äußert effektiv und beson­ ders kostengünstig, weil die Investition, die für einen Ablauf einen Luftkanal, ins­ besondere einen Kunstoffabluftschlauch benötigt werden, nur sehr gering sind im Vergleich zu einem Wärmetauscher und dessen ständigen Unterhaltungskosten. Darüber hinaus ist die Kühlung äußert effektiv.

Claims (15)

1. Windenergieanlage (1) mit einem völlig geschlossenen oder wenigstens teil­ weise geschlossenen Kühlkreislauf, bei welchem die aus dem Kühlkreislauf abzu­ führende Wärme über den Turm (3) oder die Gondel (2) der Windenergieanlage (1) abgegeben wird.

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm (3) wenigstens einen Kühlkanal (12, 13) aufweist, durch den das Kühlmedium, vorzugsweise Luft, tritt.

3. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kühlkreislauf sowohl der Antriebsstrang (3, 4) der Windenergieanlage oder Teile des Antriebsstrangs und/oder die elektrischen Einrichtungen (8, 9) zur Umformung der elektrischen Energie angeschlossen sind.

4. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm (3) über wenigstens zwei Abschnitte ent­ lang seiner Längsachse doppelwandig ausgeführt ist (Fig. 4) und ein doppelwan­ diger Bereich einen Kühlkanal (12, 11) bildet, bei welchem die in den Kühlkanal eintretende erwärmte Luft ihre Wärme an die Außenwand des Turmes (3) abgibt.

5. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Hauptantriebsstrangs (3, 4) wie auch der Einrichtungen (8, 9) der Leistungselektronik im wesentlichen stets die gleiche Luft verwendet wird.

6. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal über wenigstens einen Ventilator (10) verfügt, der für eine Zirkulation der Luft innerhalb des Kühlkreislaufes sorgt.

7. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windenergieanlage auch bei Außentemperaturen von ca. -20°C bis -40°C im Betrieb gehalten werden kann und der Turm durch den Kühlkreislauf erwärmt wird.

8. Verwendung eines Turms einer Windenergieanlage als Kühlelement und/oder Wärmetauscher zur Kühlung von Luft, die durch Wärme erzeugende Einrichtungen, beispielsweise den Antriebsstrang und/oder elektrische Einrichtung zum Umformen der elektrischen Energie, der Windenergieanlage erwärmt wird.

9. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windenergieanlage wenigstens zwei völlig ge­ schlossene oder wenigstens teilweise geschlossene Kühlkreisläufe aufweist, wobei ein Kühlkreislauf zur Kühlung des Antriebsstrangs der Windenergieanlage und der andere Kühlkreislauf zur Kühlung der elektrischen Einrichtung zur Umformung der elektrischen Energie dient.

10. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Luftleitung vorgesehen ist, welche zum Transport von erwärmter Luft dient.

11. Windenergieanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitung durch einen Schlauch gebildet wird, welcher an einen Wärmeerzeuger, beispielsweise an die Luftaustrittsöffnung einer elektrischen Einrichtung zur Umformung der elektrischen Energie und/oder Teile des Antriebsstrangs (Generator) angeschlossen ist.

12. Windenergieanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch lufteingangsseitig an eine Ventilations­ einrichtung (Lüfter) angeschlossen ist, mittels welchem erwärmte Luft in den Schlauch geblasen wird.

13. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch mehr als zehn Meter, vorzugsweise mehr als fünfundzwanzig Meter lang ist und im unteren Teil des Turms so ange­ bracht ist, daß erwärmte Luft, die von einer elektrischen Einrichtung zur Umfor­ mung der elektrischen Energie, beispielsweise einem Schaltschrank bzw. einem Leistungsschrank stammt, durch den Schlauch geblasen wird und erwärmte Luft am Schlauausgang wieder austritt, so daß sie sich an der Turmwandung abkühlen kann und wieder zum Turmboden strömt.

14. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gondel aus einem Metall, bevorzugt Aluminium ganz oder teilweise besteht.

15. Windenergieanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gondel ganz oder teilweise mit Kühlrippen oder anderen Mitteln zur Vergrößerung der Gondeloberfläche ausgestattet ist.