DE10016913A1 - Offshore-Windenergieanlage mit einem Wärmetauschersystem - Google Patents

Abstract

Windenergieanlagen mit einer Rotoreinheit (10), ggf. einem Getriebe (12) und einem Generator (14), mit einem Wärmetauschersystem, bestehend aus einer im Bereich des Generators (14) und ggf. des Getriebes (12) angeordneten Wärmeaufnahmeeinheit (16), einer im Bereich des Turms (24) angeordnete Wärmeabgabeeinheit (18), einer die beiden Einheiten (16, 18) miteinander verbindenden Leitungssysteme, bestehend aus einer Vorlaufleitung (20) und einer Rücklaufleitung (22) und einer Umwälzpumpe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Offshore-Windenergieanlage mit einer Rotoreinheit, einem Generator und ggf. einem Getriebe.

Windenergieanlagen wandeln durch den Rotor die translato­ rische Energie der Luftströmung in rotatorische Energie des Triebstranges um. Bei modernen Windenergieanlagen wird diese mechanische Energie in elektrische Energie um­ geformt. Für diese Wandlung sind Generatorsysteme erforderlich, die entweder direkt vom Rotor der Windturbine oder mit einem zwischengeschalteten Getriebe angetrieben werden. Beide Generatorsysteme unterscheiden sich im we­ sentlichen durch ihre Baugröße, die sich aus der Leistung und den Antriebsdrehzahlen ergibt. Generatoren in der Me­ gawattklasse, die direkt vom Rotor angetrieben werden, rotieren mit einer Drehzahl von ca. 10 bis 20 min^-1. Ge­ nertoren von Windenergieanlagen, bei denen ein hochüber­ setzendes Getriebe zwischen Rotor und Generator gekoppelt ist, werden mit ca. 800 bis 1800 min^-1 betrieben. Diese Energiewandlung in eine Energieform mit einer höheren Wertigkeit ist mit Wirkungsgradverlusten verbunden, die in Form von Wärme anfallen. Die Verlustwärme fällt also entweder nur im Generator oder im Getriebe und im Gener­ tor an und muß zur Vermeidung einer Überhitzung und einer dadurch verursachten Beschädigung der Anlagenkomponenten an die Umwelt abgeführt werden.

Bei Anlagen nach dem Stand der Technik wird diese Ver­ lustwärme entweder durch eine direkte Durchlüftung der Gondel mit Außenluft oder durch einen Zwischenkreis mit Wärmetauscher abgeführt, wobei in jedem Fall Außenluft direkt durch die Gondel geleitet wird.

Für Offshore-Anlagen ist diese Durchlüftung der Gondel mit ungefilterter Außenluft nicht akzeptabel, da die kor­ rosive, salzhaltige Luft die Anlagenkomponenten nachhal­ tig schädigen und einen Ausfall bewirken kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Offshore-Windenergieanlage zu schaffen, bei der für eine ausreichende Kühlung des Generators und ggf. des Getrie­ bes gesorgt ist, ohne daß diese mit der aggressiven Au­ ßenluft in Kontakt kommen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Wär­ metauschersystem bestehend aus einer im Bereich des Gene­ rators und ggf. des Getriebes angeordnete Wärmeaufnahme­ einheit, einer im Bereich des Turms angeordnete Wärmeab­ gabeeinheit, einer die beiden Einheiten miteinander ver­ bindenden Leitungssystem bestehend aus einer Vorlauflei­ tung und einer Rücklaufleitung und einer Umwälzpumpe.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Wärmeabgabeeinheit als um den Mantel des Turms herum verlaufende Rohrspirale ausgebildet ist. Alternativ kann die Wärmeabgabeeinheit zwischen den Wan­ dungen eines doppelwandig ausgebildeten Turms eingebracht sein.

Die Wärmeabgabeeinheit kann im oberen Bereich des Turms von der Umgebungsluft beaufschlagt angeordnet sein, vor­ zugsweise ist die Wärmeabgabeeinheit jedoch im unteren Bereich des Turms von dem Umgebungswasser beaufschlagt angeordnet.

Das Leitungssystem sollte mit Drehdurchführungen versehen sein, die die Übergabe des zu fördernden Kühlmediums von der relativ zu dem Turm drehbaren Gondel auf das Lei­ tungssystem ermöglicht. Es können stattdessen auch flexi­ ble Leitungen verwendet werden, die einigen wenigen Um­ drehungen der Gondel relativ zu dem Turm folgen können.

Die Wärme wird durch geeignete Transfermedien von dem Ort der Entstehung gezielt an einen anderen Ort der Wärme­ übertragung geleitet. Im Generator ist dieses Transferme­ dium üblicher Weise Luft, im Getriebe ist es Öl.

Die darin enthaltene Wärmemenge kann dann über Wärmetau­ scher an ein zentrales Wärmeleitungssystem übertragen werden. Dieses Wärmeleitungssystem kann als Medium z. B. frostgeschütztes Wasser verwenden.

Dieses zentrale Wärmeübertragungssystem ist an einen Wär­ metauscher angeschlossen, der in der Turmwand der Anlage oder dem Gründungsteil der Offshore-Windenergieanlage an­ geordnet ist.

Für die Übertragung der Verlustwärme von der Gondel der Anlage, die das Getriebe und den Generator enthält, auf den Turm ist zwischen den Rohrleitungen eine Drehdurch­ führung oder ein flexibles Schlauchsystem erforderlich, um die notwendige Drehung der Gondel zu ermöglichen.

Bei der Anordnung in der Turmwand wird die Wärmemenge über die Außenwand des Turmes an die Außenluft abgegeben. Dieses hat den Vorteil der kurzen Leitungswege aber den Nachteil der relativ großen Wärmetauscherflächen. Bei der Anordnung in dem Gründungsteil der Anlage wird die Wärme­ menge über die Außenwandung an das umgebende Meerwasser überführt. Dieses hat den Vorteil einer kleineren Wärme­ tauschergröße aufgrund des besseren Wärmeüberganges zum Wasser, aber den Nachteil der längeren Leitungswege.

Der Großteil der gesamten Verlustwärmemenge, die von dem Transfermedium transportiert wird, kann auf diese Weise in die Umwelt abgeführt werden. Der geringe Teil der Ver­ lustwärme, der an die Oberfläche der energieverlustbehaf­ teten Komponenten gelangt, muß über direkte Konvektion abgeführt werden. Ideal ist daher eine Kombination von direkter Wärmeabfuhr über Wärmetauscher, wie oben be­ schrieben, und eine Restwärmeabfuhr von den Komponenten­ oberflächen durch gereinigte Luftzufuhr in den Gondelraum unter Überdruck, so daß der Luftstrom ausschließlich nach außen gerichtet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1a/b eine Ausbildung mit einem Wärmetau­ scher am Turmkopfbereich, wobei eine Rohrspirale oder aber eine Doppel­ wandung des Turms zur Wärmeabfuhr dient,

Fig. 2a/b eine Fig. 1 entsprechende Ausbildung, bei der der Wärmetauscher jedoch im Bereich der Grundungsteils des Turms angeordnet ist und die Wärmeabfuhr in das Umgebungswasser erfolgt,

Fig. 3 eine Ausbildung, bei der der aus ei­ nem geeigneten korrosionsbeständigen Material gefertigte Wärmetauscher sich in das Umgebungswasser hinein ragend ausgebildet ist,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei der der Wärmetauscher innerhalb des Turms oder Gründungsteils abgeordnet ist und die Wärme über einen Sekundär­ kreislauf in das Meerwasser abge­ führt wird.

Die Figuren verdeutlichen, daß das Wärmetauschersystem aus einer Wärmeaufnahmeeinheit 16 und einer Wärmeabgabe­ einheit 18 besteht. Die Wärmeaufnahmeeinheit 16 ist dabei dem Getriebe 12 und dem Generator 14 zugeordnet und nimmt den wesentlichen Teil der von diesen abgegebenen Verlust­ wärme auf. Über ein aus einer Vorlaufleitung 20 und einer Rücklaufleitung 22 bestehendes Leitungssystem wird die Wärme zu der Wärmeabgabeeinheit 18 geführt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeabgabeeinheit 18 als um den Mantel des Turms 24 herum verlaufende Rohrspirale ausgebildet, bei dem in Fig. 1b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Turm 24 in seinem oberen Bereich doppelwandig ausgebildet, wobei der Raum zwischen den beiden Wandungen die Wärmeabgabeeinheit 18 bildet.

In beiden Ausführungsbeispielen wird die Wärmeabgabeein­ heit 18 von der Umgebungsluft beaufschlagt, die die Ver­ lustwärme abführt.

Bei dem in den Fig. 2a, 2b dargestellten Ausführungs­ beispielen ist die Wärmeabgabeeinheit 16 im unteren Bereich des Turms oder des Gründungsteils von dem Umge­ bungswasser beaufschlagt angeordnet, bei dem in Fig. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeabgabeein­ heit 18 wiederum als Rohrspirale, bei dem in Fig. 2b dar­ gestellten Ausführungsbeispiel durch eine doppelwandige Ausbildung des Turms 24 oder des Gründungsteils ausgebil­ det wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Wärme­ abgabe 18 von dem Umgebungswasser umspült, die Verlust­ wärme also von dem Umgebungswasser abgeführt. Dieses Aus­ führungsbeispiel hat weiter den Vorteil, daß es bei einem Betrieb der Anlage den Bereich um den Turm herum eisfrei hält.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher wiederum als Rohrspirale ausgebildet, die aus einem geeigneten korrosionsbeständigen Material gefertigt ist und außerhalb des Turmes angeordnet ist, so daß die Wärmeabgabeeinheit 18 von dem umgebenen Wasser unmittelbar umspült wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Wärmetauscher relativ klein ausgebildet werden kann.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher innerhalb des Turms (oder aber dessen Gründungsteils) angeordnet, die Wärme wird über einen Meerwasser führenden Sekundärkreislauf abgeführt.

Claims (7)

1. Windenergieanlage mit einer Rotoreinheit (10), ggf. einem Getriebe (12) und einem Generator (14), gekenn­ zeichnet durch ein Wärmetauschersystem bestehend aus einer im Bereich des Generators (14) und ggf. des Getriebes (12) angeordnete Wärmeaufnahmeeinheit (16), einer im Bereich des Turms angeordnete Wärme­ abgabeeinheit (18), einer die beiden Einheiten (16, 18) miteinander verbindenden Leitungssystem bestehend aus einer Vorlaufleitung (20) und einer Rücklaufleitung (22) und einer Umwälzpumpe.

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmeabgabeeinheit (18) als um den Mantel des Turms herum verlaufende Rohrspirale ausge­ bildet ist.

3. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmeabgabeeinheit (18) zwischen die Wandungen eines doppelwandig ausgebildeten Turms einge­ bracht ist.

4. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungs­ system mit Drehdurchführungen versehen ist.

5. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabe­ einheit (18) im oberen Bereich des Turms von der Umge­ bungsluft beaufschlagt angeordnet ist.

6. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabeeinheit (18) bei einer Ausbildung als Offshore-Windenergieanlage im unteren Bereich des Turms (10) oder des Gründungsteils (24) des Turms von dem Umgebungswasser beaufschlagt an­ geordnet ist.

7. Windenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmeabgabeinheit (18) mit einem Se­ kundärkreislauf versehen ist, der die Wärme direkt in das Umgebungswasser abgibt.