DE19652673B4

DE19652673B4 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE19652673B4
Application number: DE19652673A
Authority: DE
Inventors: Marten Jensen
Original assignee: Individual
Current assignee: JENSEN, MARTEN, DIPL.-ING., 25917 LECK, DE
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: DE19652673A1

Abstract

Windkraftanlage zur Stromerzeugung, umfassend einen Turm (14) , eine Gondel (16), einen Rotor (22) mit Rotorblättern (24), mindestens eine Antriebswelle (18), eine Steuereinheit und eine mehrere Generatoren umfassene Generatoreinheit, wobei die Steuereinheit das wahlweise Zuschalten einzelner Generatoren ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinheit modular aufgebaut ist und ihre Generatormodule (20) koaxial auf der Antriebswelle (18) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Windkraftanlagen können einerseits dazu ausgelegt sein, Strom zu erzeugen (wie bei einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage), und andererseits dazu dienen, die Energieform direkt in mechanische Energie umzusetzen (wie beispielsweise bei Windpumpsystemen). Stromerzeugende Windkraftanlagen weisen folgende Komponenten auf: einen Turm (oder Mast) und eine Gondel, die meist als Maschinenträger für die Maschinen eines sogenannten Antriebsstranges dient. Der je nach Auslegung der Windkraftanlage in seiner Höhe variierende Turm kann aus konischen Rundstahlelementen oder aus Betonringmodulen aufgebaut sein. Vor der Gondel befindet sich ein Rotor mit seiner Nabe. Der in der Gondel geschützt liegende Antriebsstrang umfaßt neben einer Rotorwelle mit Lagerung bei den meisten bekannten Anlagen Hydraulikaggregate für die Rotorblattverstellung, Bremse(n), eine Generatoreinheit, – bei Windkraftanlage mit Getriebe – eine Getriebeeinheit gegebenenfalls mit Kupplungen, Sensoren zur Erfassung von Parametern für die Betriebsführung der Windkraftanlage sowie eine Steuerungselektronik zur Funktions- und Betriebsüberwachung. Die Anordnung und Auslegung dieser Komponenten ist entscheidend für die Effizienz der Windkraftanlage und damit auch entscheidend für deren Wirtschaftlichkeit.

Die verschiedenen Bauweisen von Windkraftanlagen nach dem Stand der Technik lassen sich in Anlagen mit Getriebe und getriebefreie Anlagen klassifizieren. Letztere weisen meist einen (permanentmagneterregten oder über einen Erregerstromkreis erregten) Ringgenerator auf und zeichnen sich durch den Vorteil eines geringeren Gewichtes und Volumens aus.

Bei bekannten horizontalachsigen Windkraftanlagen der eingangs genannten Art besteht die Generatoreinheit – wie in 1 schematisch dargestellt – aus einem Generator. Dieser ist meist luvseitig vom Turm angeordnet. Dadurch wird die Betriebsführung der Windkraftanlage aus konstruktionstechnischen Gründen beschränkt und eine mögliche Ertragssteigerung durch variabler und besser angepaßte Anlagen vermieden.

Aus der EP 0 242 323 A1 ist eine Windkraftanlage zur Stromerzeugung, umfassend einen Turm, eine Gondel, einen Rotor mit Rotorblättern, mindestens eine Antriebswelle, eine Steuereinheit und eine mehrere Generatoren umfassene Generatoreinheit bekannt, wobei die Steuereinheit das wahlweise Zuschalten einzelner Generatoren ermöglicht. Die Windkraftanlage weist einen zentralen Antriebsring auf, mit welchem mehrere Generatoren antriebsmäßig gekuppelt sind. Die gezeigte Windkraftanlage ist unübersichtlich aufgebaut. Bei Windkraftanlagen dieser Art sind Wartungs- und Reparaturarbeiten sehr erschwert.

Die aus der DE 44 36 057 A1 bekannte Windkraftanlage zeigt einen grundsätzlich ähnlichen Aufbau wie die aus der EP 0 242 323 A1 bekannte Anlage. Hier treibt jedes Getriebe einen Generator an. Die Getriebe gestatten ein wahlweises zuschalten der jeweiligen Generatoren. Die Anlage weist im Grunde die selben Nachteile wie die vorerwähnte Anlage auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Bauweise einer Windkraftanlage zu vereinfachen und deren Betriebsführung variabler zu gestalten, um dadurch eine Ertragsoptimierung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht der wesentliche Vorteil, daß mit ein und demselben Generatormodul Windkraftanlagen mit unterschiedlichen Leistungscharakteristiken bestückt werden können. Dadurch sinken die Produktionskosten des Gesamtsystems. Mit der erfindungsgemäßen Lösung sinken die Kosten auch dadurch, daß – bedingt durch die modulate Bauweise – die verschiedenen Komponenten der Anlage nicht nur in ihrem Nennpunkt, sondern vermehrt und wesentlich variabler auch im Teillastbereich gefahren und damit bessere Ertragswerte für das Gesamtsystem erzielt werden können. Aus der koaxialen Anordnung von insbesonderen Ringgeneratoren auf der Antriebswelle ergibt sich ein übersichtlicher, einfacher Aufbau, der Wartungs- und Reparaturarbeiten erleichtert. Sehr vorteilhaft wirkt sich dieses vor allem auf Transport und Montagearbeiten der Windkraftanlage aus, da jedes Generatormodul einzeln transportiert und auf die Antriebswelle "gesteckt" werden kann. Somit treten kleinere Generatorabmessungen und -massen für den Transport und die Montage auf, was die Logistik deutlich vereinfacht und wesentlich kleinere Kräne erforderlich macht, als wenn nur ein voluminöser und schwerer Generator wie in Windkraftanlagen nach dem Stand der Technik eingesetzt wird. Gerade in unwegsameren Gelände und in windintensiven Regionen – z.B. in Entwicklungsländern -, wo die Logistik Probleme machen kann, spielt dies eine wichtige Rolle in der Praxis.

Bei der Genehmigung von Windkraftanlagen ist die Statik des Systems, die Standfestigkeit, ein entscheidendes Kriterium. Für die Untersuchung der Dynamik des Systems ist das (unerwünschte) Schwingungsverhalten der Gondel, des Turms und der kräfteübertragenden Bauteile ausschlaggebend. Je kompakter daher das System, insbesondere die Gondel, aufgebaut ist, desto günstiger wirkt sich das auf die statischen und dynamischen Verhältnisse der Windkraftanlage aus. Mit der erfindungsgemäßen Möglichkeit der wahlweise luv- und/oder leeseitigen Anordnung der Generatormodule von der Turmachse kann die Auslegung der Anlage wesentlich besser an aktuelle statische Anforderungen, die sich z.B. aus dem Schwingungsverhalten des Gesamtsystems ergeben, angepaßt werden.

Weiterhin fließen bei der Ertragsoptimierung einer Windkraftanlage auch aerodynamische Aspekte, insbesondere der Gondel, mit ein. Letztere ist durch die modulare Bauweise der einen wesentlichen Prozentsatz des Volumens der Gondel einnehmenden Generatoreinheit somit optimal an aerodynamische wie auch statische Anforderungen anpaßbar.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung unterscheiden sich die Generatormodule in ihrer Abgabeleistung. Vorteilhafterweise kann damit aktuellen Umwelt- und Windverhältnissen verbessert Rechnung getragen werden, indem statistisch ermittelte, am häufigsten vorherrschende Windgeschwindigkeiten durch entsprechende, genau dafür ausgelegte Generatormodule berücksichtigt werden können. Diese können dann einzeln aufgeschaltet werden und gerade ein bestimmtes Windverhältnis abdecken, das statistisch häufiger auftritt.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber nichtmodularen Systemen nach dem Stand der Technik liegt darin, daß die Generatormodule stufenweise aufschaltbar sind. Dadurch wird die Variabilität der Betriebsführung der Windkraftanlage erhöht und damit auch deren Efffizienz.

Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer horizontalachsigen, getriebefreien Windkraftanlage nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung einer horizontalachsigen, getriebefreien erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit zwei Generatormodulen,
3 eine schematische Darstellung einer horizontalachsigen, getriebefreien erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit drei Generatormodulen und
4 eine schematische Darstellung einer horizontalachsigen, getriebefreien erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit sieben Generatormodulen.
Wie 1 zeigt, weist eine Windkraftanlage 10 nach dem Stand der Technik eine Generatoreinheit auf, die meist in der Nähe der Längsachse des Turmes 14 – hier luvseitig – in der Gondel 16 auf der Antriebswelle 18 angeordnet ist. Dabei besteht die Generatoreinheit aus einem Generatormodul 20. Das Generatormodul 20 ist als scheibenförmiger Ringgenerator ausgebildet. Für Windkraftanlagen nach dem Stand der Technik mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen sind also auch unterschiedlich dimensionierte Generatoreinheiten notwendig. Das führt nachteiligerweise wiederrum zu zusätzlichen Erfordernissen bei der Fertigung, beim Transport und bei der Montage (z.B. Kräne).
Die Gondel 16 dient als Träger für die Maschinen des Antriebsstranges 26 und ist vorzugsweise eine Gußkonstruktion, die gegenüber der Umwelt schallisoliert ist, so daß eine Geräuschdämmung der Maschinen, insbesondere des Getriebes bei Windkraftanlagen mit Getriebe, erreicht wird.
Die Höhe des Turms 14 ergibt sich aus der gewünschten Nabenhöhe des Rotors 22 und diese aus dem gewünschten Durchmesser des Rotors 22 je nach gewünschter Leistung der Windkraftanlage 10 und dem standortspezifischen Windangebot (Windprofil). Die Höhe des Turmes 14 kann somit zwischen wenigen Metern und ca. 100 Metern schwanken.
Die erfindungsgemäßen Windkraftanlagen 10 in den Zeichnungen 2 bis 4 unterscheiden sich – je nach Größe der Windkraftanlage 10 – in der Anzahl der Generatormodule 20 und damit in der Abgabeleistung der Windkraftanlage 10. Die folgenden Abschnitte der detaillierten Figurenbeschreibung beziehen sich daher zusammenfassend auf eine Windkraftanlage 10 des erfindungsgemäßen Typs, unabhängig von der Anzahl der Generatormodule 20.
Die Betriebsführung der Windkraftanlage 10 ist abhängig von mehreren Parametern, die teilweise über Sensoren erfaßt werden: wie die Drehzahl, die Windgeschwindigkeit, die Leistung der Generatormodule 20, der Temperatur der Generatormodule 20, Schwingungsverhalten des Systems, Parameter von hydraulischen Komponenten der Windkraftanlage 10 (wie Öldruck und Temperatur) und die aktuelle Stellung der Rotorblätter 24 im Wind bei pitchgeregelten Windkraftanlagen. Die Verstellmöglichkeit der Rotorblätter 24 (bei pitchgeregelten Windkraftanlagen 10) ermöglicht unterschiedliche Anströmverhältnisse; dadurch kann die Leistungsabgabe des Rotors 22 eingestellt werden, z.B. so, daß diese ab Erreichen der Nennleistung konstant ist.
Die Betriebsführung der Windkraftanlage 10 wird durch eine Steuereinheit gesteuert. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit flexibel an wechselnde Anforderungen seitens der Betriebsführung der Windkraftanlage 10 anpaßbar. Alle erforderlichen Parameter für die Steuerung können über Sensoren automatisch erfaßt und berechnet werden oder sind wahlweise von einem Betreiber der Windkraftanlage 10 bestimmbar und in die Steuereinheit eingebbar, insbesondere die Anzahl, Art und Reihenfolge der Zuschaltung der einzelnen Generatormodule 20. Je nach Betriebsstunden der einzelnen Generatormodule 20 und deren Abnutzung können im Einzelfall bestimmte Generatormodule 20 präferiert oder zurückgestellt werden.
Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10 ist eine modulare Windkraftanlage mit sog. "Stall-Steuerung", bei der die Leistungsbegrenzung durch den Strömungsabriß an den nicht verstellbaren Flügeln des Rotors 22 erfolgt.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Generatormodule 20 – je nach Programmierung der Steuereinheit – alle gleichzeitig oder getrennt voneinander über einen oder mehrere Frequenzumrichter netzzuschaltbar. Sind die Generatormodule 20 baugleich und werden simultan dem Netz zugeschaltet, so verteilt sich die Last symmetrisch, was sich positiv auf die Gleichverteilung der Lebensdauer der Generatormodule 20 auswirkt. Vorteilhafterweise steigt auch die Effizienz der Windkraftanlage 10 durch Verwendung mehrerer Generatormodule 20 mit geringerer Leistung, da solche "kleineren" Generatormodule 20 eher im Nennbereich gefahren und voll ausgelastet werden und somit bessere Wirkungsgrade erzielen.
In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Generatormodule 20 scheibenförmige Ringgeneratoren, die koaxial auf der Antriebswelle 18 angeordnet sind. Daraus ergibt sich ein übersichtlicher, einfacher Aufbau, der Wartungs- und Reparaturarbeiten erleichtert. Sehr vorteilhaft wirkt sich dieses vor allem auf Transport und Montagearbeiten der Windkraftanlage 10 aus, da jedes Generatormodul 20 einzeln transportiert und auf die Antriebswelle "gesteckt" werden kann. Somit treten kleinere Generatorabmessungen und – massen für den Transport und die Montage auf, was die Logistik deutlich vereinfacht und wesentlich kleinere Kräne erforderlich macht, als wenn nur ein voluminöser und schwerer Generator wie in Windkraftanlagen nach dem Stand der Technik eingesetzt wird.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Generatormodule 20 voneinander beabstandet auf der Antriebswelle 18 angeordnet. Dies erhöht die axiale Länge der Gondel 16 nur minimal, ermöglicht aber, daß die einzelnen Generatormodule 20 eine verbesserte Wärmeabführmöglichkeit haben und desweiteren leichter gewartet werden können. Abhängig von der Anordnung der Komponenten des Antriebsstranges 26 wird ein Hauptlager 28 für die Antriebswelle 18 innerhalb der Gondel 16 angeordnet.
Durch die Erhöhung der Anzahl der Generatormodule 20 auf mehr als zwei entstehen wesentlich bessere Auslastungsmöglichkeiten der Windkraftanlage 10 als beim Stand der Technik. Weiterhin erhöht sich der Wirkungsgrad der gesamten Windkraftanlage 10 dadurch, daß kleinere Generatormodule 20 genauer gefertigt werden können (Luftspalttoleranz, Lagertoleranzen, Unwucht etc. ).
Durch eine stufenweise, sukzessive Aufschaltung einzelner Generatormodule 20 wird eine optimale Anpassung der Windkraftanlage 10 an häufiger wechselnde und/oder unterschiedlich hohe Windgeschwindigkeiten erreicht. Die Steuereinheit ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, daß die Generatormodule 20, die nicht am Netz sind, frei mit drehen und vorteilhafterweise als mechanische Dämfpung bei stark wechselnden Windgeschwindigkeiten und damit starken Leistungsschwankungen der Generatormodule 20 wirken. Weiterhin entsteht der Vorteil, daß die Variabilität der Betriebsführung durch eine vermehrte Anzahl von Möglichkeiten erhöht wird und somit auch eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Energieerzeugung (Stromeinspeisung) durch eine differenziertere Anpassung der Windkraftanlage 10 erzielbar ist.
Weitere vorteilhafte alternative Ausgestaltungen der Erfindung entstehen durch die unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten der Generatormodule 20 auf der Antriebswelle 18 . Eine Möglichkeit liegt darin, die Generatormodule 20 nur leeseitig anzuordnen (nicht gezeigt) und das Gewicht der Generatormodule 20 gleichzeitig als Gegengewicht zum Gewicht der sich luvseitig vom Turm befindlichen Maschinenteile (z.B. Rotor) auszunützen, um so eine statisch balancierte Windkraftanlage 10 bereitzustellen. Eine alternative Ausgestaltung liegt darin, die Generatormodule 20 – je nach konstruktionstechnischen Erfordernissen und dem gewünschten Betreiben der Windkraftanlage 10 – sowohl luv- als auch leeseitig von der Längsachse des Turms 14 anzuordnen. Daraus entspringen die weiteren Vorteile, daß eine balanciertere Konstruktion der Anlage, insbesondere der Gondel 16, ermöglicht wird und die Masse der Generatormodule 20 gleichzeitig als Gegenmasse zu anderen Maschinen des Antriebsstranges 26, etwa zum Rotor 22, fungiert, um den Gondelschwerpunkt zur Turmmittellängsachse hin zu verschieben. Durch die modulare Bauweise kann die erfindungsgemäße Windkraftanlage 10 – wie eben dargestellt – ohne zusätzliche Gegengewichte, die an sich keine Funktion für die Windkraftanlage haben und nur dem statischen Ausgleich dienen, leichter eine Balance zwischen den statischen (Eigengewicht von Maschinen und Gondel etc.) und quasistatischen (Luftkräfte aus dem im Mittel wehendem Wind, Fliehkräfte, etc.) Kräften finden bei einer variableren Anordnung der Module des Antriebsstranges 26.
Wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10 wird bei einer getriebefreien Anlage die Betriebsfrequenz der Generatormodule 20 durch einen Frequenzumrichter bestimmt. Alternativ dazu kann/können bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Windkraftanlage 10 mit Getriebe, vorzugsweise ein Getriebe oder mehrere Getriebemodule die Rotordrehzahl auf die Nenndrehzahl der Generatormodule 20 umsetzen. Hier werden Fehleranfälligkeiten der bei getriebefreien Anlagen notwendigen Elektronikbauteile vermieden und auf das mechanische Gebiet des Getriebes verlagert.
In den Zeichnungen ist die Antriebswelle 18 jeweils horizontal angeordnet. In einer nicht dargestellten Abwandlung erstreckt sich die Antriebswelle 18 vertikal.
Die Windkraftanlage 10 ist nicht notwendigerweise auf eine Antriebswelle 10 beschränkt, sondern kann auch zwei oder mehr Antriebswellen in Horizontal- und/oder Vertikalanordnung aufweisen.

Claims

Windkraftanlage zur Stromerzeugung, umfassend einen Turm (14) , eine Gondel (16), einen Rotor (22) mit Rotorblättern (24), mindestens eine Antriebswelle (18), eine Steuereinheit und eine mehrere Generatoren umfassene Generatoreinheit, wobei die Steuereinheit das wahlweise Zuschalten einzelner Generatoren ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinheit modular aufgebaut ist und ihre Generatormodule (20) koaxial auf der Antriebswelle (18) angeordnet sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatormodule (20) Ringgeneratoren sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle die Gondel (16) durchsetzt oder -quert und die Generatormodule (20) luv- und leeseitig vom Turm (14) angeordnet sind.
Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Generatormodule (20) sich in ihrer Leistungsaufnahme unterscheiden.
Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit durch eine integrierte intelligente Elektronik das Zuschalten bestimmter Generatormodule (2O) automatisch oder halbautomatisch berechnet.
Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit das Zuschalten nach den folgenden Parametern berechnet: Windgeschwindigkeit, Drehzahl, Leistung und Temperatur des Generatormodules (20) und weiteren Überwachungsparametern der Windkraftanlage (10).
Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit das Zuschalten der Generatormodule (20) jeweils in Abhängigkeit voneinander steuert.
Windkraftanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windkraftanlage (10) getriebefrei ausgebildet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoreinheit aus Generatormodulen (20) und eine Getriebeeinheit aus zugehörigen Getriebemodulen besteht.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Antriebswellen (18) aufweist, auf denen jeweils Generatormodule (20) montiert sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (18) oder Antriebswellen (18) vertikal angeordnet sind.