-
Die
Erfindung betrifft Windkraftanlagen mit horizontaler und vertikaler
Drehachse, deren mechanisch-elektrische Energiewandlung ohne Getriebe erfolgt.
-
Bei
der Weiterentwicklung der Windkraftnutzung spielen insbesondere
bei Anlagen großer
Leistung Baubarkeit und Leistungseffizienz eine große Rolle.
Mit Konzeptmodifikationen für
Windturbine und Generator sollen die Energiewandlung in ihrer Effizienz
gesteigert und die Baubarkeit großer Anlagenleistungen durch
neue Vorschläge
verbessert werden.
-
Stand der Technik
-
Die
Entwicklung von Windkraftanlagen für Land- und Offshore-Einsatz
strebt nach einer verbesserten Windkraftnutzung in Verbindung mit
Zuverlässigkeitssteigerung
und richtet den Blick auf Kostensenkung bei höheren Anlagenleistungen mit
größerer Bauhöhe und größeren Rotordurchmessern.
-
Neben
meist kleineren Anlagen für
vertikale Drehachse sind häufiger
Varianten mit horizontaler Drehachse und kleineren sowie größeren Leistungen im
Einsatz, .
-
Angestrebte
Massenbegrenzungen, Zuverlässigkeitsziele
und geforderte Regelbarkeit geben der getriebelosen Energiewandlung
und dem Einssatz von Synchrongeneratoren mit nachgeschalteter Frequenzumwandlung
gegenüber
der getriebebehafteten Version einen Vorteilsbonus. Allerdings führt der
aktuelle Stand der Generatortechnik bei sehr langsam drehenden Anordnungen
und großer
Anlagenleistung auf hohe Maschinenmassen und Anlagenkosten, wodurch
Baubarkeit und Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt werden. Lösungsansätze auf Grundlage
von elektrischen Maschinen in der konventionellen Radialfeldbauweise
mit zylindrischem Komplettrotor erweisen sich in ihren Entwurfszusammenhängen für die Anwendung
bei sehr großen Drehmomenten
als wenig geeignet. Ihre Bauteilgewichte erreichen bereits bei einer
Leistung von 5 MW so hohe Werte, dass die Anlagenintegration stark
behindert wird. Ein Teil der Problematik folgt daraus, dass mit
zunehmendem Maschinendurchmesser ein beträchtlich größerer Luftspalt gefordert wird.
Betriebsbedingte Dehnung und herstellungsbedingte Ungenauigkeit
führen
mit dem großen
Luftspalt zum Anstieg der Verluste und zwin gen zu forcierter Kühlung der
Wicklungen. Bei Einhaltung eines hohen Wirkungsgrades weicht der
Entwurf auf größere Abmessungen
aus, wodurch erhöhte
aktive Masse, erschwerte Anlagenverträglichkeit und hohe Kosten resultieren.
Wie sich zeigt, führt
selbst der Übergang auf
neuere Baukonzepte für
den Generator, etwa die Anwendung von Permanentmagneten zur Erzeugung
des Magnetfeldes, zu keiner bedeutenden Verbesserung bezüglich der
Kosten und der Anlagenverträglicheit.
Es werden zwar kleinere Abmessungen und eine kleinere Maschinenmasse
erreicht, jedoch steigen mit dem Komplexitätsgrad die spezifischen Maschinenkosten
stark an und die Integrierbarkeit der Maschine verbessert sich kaum.
Da die durch Felddichtesteigerung erreichbare höhere Leistungsdichte beim Übergang
auf kleinere Maschinendurchmesser und die dann niedrigere Umfangsgeschwindigkeit
teilweise wieder aufgehoben wird, sind nur geringe Vorteile zu erwarten.
Für die
Aufwandsminimierung des mechanischelektrischen Energiewandlers sind
also insbesondere dann neue Lösungen
gesucht, wenn die Anlagenleistung weiter erhöht werden soll.
-
Jedoch
nicht nur der mechanisch-elektrische Wandler zeigt sich in seiner
Leistungsdichte hierfür als
zu wenig angepasst, auch die aerodynamische Leistungsumsetzung,
d. h. die Wandlung der Windkraft in Umfangskraft verliert bei großen Durchmessern
zunehmend an Leistungsdichte.
-
Infolge
des außen
und innen sehr ungleichen Anteils der Flügelelemente an der Umfangsgeschwindigkeit
erbringen diese auch ungleiche Leistungsanteile. Diese Ungleichheit
sucht man zum Teil dadurch zu kompensieren, dass im inneren Teil
der Kreisfläche
Flügel
mit größerem Umfang
eingesetzt werden. Allerdings trägt
deren vergrößerte Masse dadurch
sehr zur Steigerung der Zentrifugalkräfte bei, die ihrerseits wieder
eine Verstärkung
der Flügelquerschnitte
und damit weitere Massensteigerungen zur Folge haben. Als Ergebnis
dieser ungünstigen Modellgesetze
zeigen bereits bestehende Anlagen hoher Leistung unvorteilhaft schwergewichtige
Flügelblätter in
Kombination mit Problemen bei der Flügelbefestigung und der Anlagenintegration.
-
Das
zuletzt beschriebene Merkmal der geringen Leistungsanteile innenliegender
Flügelelemente bei
WKAs horizontaler Welle wird bekanntlich bei Anlagen mit vertikal
ausgerichteter Achse (Darrieus-Typ) vom Ansatz her vermieden. Hierbei
sind die Flügelachsen
parallel zur Drehachse auf einem Kreis positioniert und drehbar
befestigt. Die damit gegebene Einleitung von Flügelkräften in ein Trägermaterial,
z. B. einer Scheibe, lässt
eine materialsparende Dimensionierung der Flügel zu und bedeutet in Anbetracht
der Flügelposition
eine hohe Leistungsdichte. Allerdings ist vorauszusetzen, dass die
auf der Kreisbahn bewegten Flügel
jeweils gegenüber der
gleichbleibenden Windrichtung, also drehwinkelabhängig in
eine aero dynamisch wirksame Position gestellt werden. Auch die Integration
des mechanisch- elektrischen
Wandlers in das Anlagenkonzept ist bei größeren Leistungen bislang eine
nicht gelöste Frage.
-
Somit
besteht die erfindungsgemäße Aufgabe
darin, für
getriebelose WKAs mit horizontaler und vertikaler Drehachse verbesserte
Baukonzepte anzugeben, die zu einer Steigerung der Windkraftausbeute
dadurch führen,
dass der Einsatz der Flügel und
des mechanisch- elektrischen Wandlers verstärkt im Bereich hoher Umfangsgeschwindigkeiten erfolgt
und die erzeugten Umfangskräfte
bei großem Durchmesser
in entsprechende Stützstrukturen
eingeleitet werden. Es wird hierdurch möglich, das Gesamtvolumen der
Anlage für
eine bestimmte Anlagenleistung zu verringern, das primär eingesetzte Material
für aerodynamische
Wirkungsflächen
und nachgeschalteten Wandler und die die Primärbauteile stützenden
Elemente massesparend einzusetzen sowie die wichtigsten Betriebsmerkmale
und die Kosten günstig
zu beeinflussen. Dabei müssen
auch Maßnahmen
getroffen werden, um zu verhindern, dass für die mechanisch-elektrische
Wandlerstufe ein zu großer
Luftspalt die energie- und massesparende Umsetzung behindert.
-
Ausführungsbeispiele
-
Anhand
einer ausführlichen
Beschreibung wird unter Einbezug von einigen Zeichnungen die zweckmäßige Lösung der
Aufgabe dargestellt.
-
Die
WKA mit vertikaler Drehachse ist in 1 in Podestform
gezeichnet und mit einem integrierten Ringgenerator RG ausgeführt. Der
massearmen Ausführung
dient die Anordnung der Flügelteile FO
und FU oberhalb bzw. unterhalb einer Trägerscheibe FT auf einem großen Durchmesserkreis
DB sowie der Einbau des Generators mit seinen
Hauptelementen GeR und GeS in die Tragstruktur FT der Anlage, ebenfalls
auf großem
Durchmesser DG. Es ist daran gedacht, dass
der Ringgenerator RG als Synchronmaschine arbeitet, so dass im Rotor
das Erregerteil GeR die Aufgabe hat, ein von dort aus gesehen stationäres Magnetfeld
zu erregen, während
der Stator GeS eine mehrsträngige
Wechselfeldwicklung trägt.
Der Rotor R dreht sich um die feststehende Welle ZSC. Aufgrund der
Durchmesser- und Geschwindigkeitsrelation für Flügel und Ringgenerator ist festzustellen,
dass die Energiewandlung in den beiden ersten Stufen die Voraussetzung
für eine hohe
Leistungsdichte erfüllt.
Durch die Anordnung zweigeteilter Flügel FO und FU und deren Abstützung an
der Trägerscheibe
erfolgt bereits dort die Einleitung eines großen Teiles der Zentrifugal-
und Biegekräfte.
Eine weitere Entlastung der Flügel
von Biegespannungen entsteht dadurch, dass an den äußeren Enden
Abspannvorrichtungen AFO und AFU vorgesehen sind. Die Flügel lassen
sich folglich masse arm und mit aerodynamisch verringertem Widerstand
ausführen.
In der Scheibe werden die eingeleiteten Flügelkräfte im Bereich des ringförmigen Teils FR
materialsparend durch Zugspannungen in Umfangsrichtung aufgenommen.
Es wird davon ausgegangen, dass der Aufbau des scheibenförmigen Rotorteils
FT mit Methoden des Leichtflugzeugbaus, also etwa mit dem Einsatz
von faserverstärkten Kunststoffen
vorgenommen wird. Wie in 1 dargestellt, liegt es nahe,
den Durchmesser DG des Ringgenerators RG ähnlich groß wie den
Durchmesser des Flügelkreises
DB zu wählen.
Um für
diese große
Radialabmessung dennoch einen vergleichsweise kleinen Luftspalt
realisieren zu können,
wird eine Axialfeldvariante gewählt,
deren Luftspalt durch eine Regelung auf etwa 1 cm konstant gehalten
wird. Diese Maschinenvariante kann in Umfangsrichtung in ihrem Eisenkörper problemlos
in kleinere Segmente aufgeteilt und damit gut integriert werden.
Bereits bei einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa 40 m/s werden
so leistungsbezogene aktive Massen von wenig mehr als 3 kg/kW möglich, wobei
ein Wirkungsgrad von 97% entsteht, wenn die Erzeugung des Erregerfeldes
zum Teil durch elektrische Erregung erfolgt und durch Permanentmagnete
unterstützt
wird.
-
Wie 1 zu
entnehmen ist und durch 1a in
einem Vektordiagramm erfasst ist, wird durch den Generator RG für den Rotor
R eine nach oben zeigende magnetische Kraft FRG durch
das Luftspaltfeld erzeugt, die der Gewichtskraft FFT der Scheibe
entgegengerichtet ist. Die Technik macht es möglich, die Kraft FRG über Mess-
und Stellorgange segmentweise im Rotor so zu regeln, dass der Maschinenluftspalt
von RG mit geringen Schwankungen konstant gehalten wird. Dieses
Regelverfahren wird bei der Verkehrsanwendung bei hohen Geschwindigkeiten
erfolgreich eingesetzt. Obgleich die Einsatzbedingungen bei WKAs
aufgrund relativ langsam wirkender Störkräfte günstiger sind, wird hier eine
aufwandsärmere
Variante des Regelverfahrens mit Hilfe eines zusätzlichen Magnetlagers GL auf
dem Durchmesserkreis DM mit einem passiven
Lagerteil LR und einem aktiven Teil LA, letzterer ringförmig mit
der Anlagenstütze
ZST verbunden, eingesetzt. Die von RG erzeugte Normalkraft FRG wird nun etwas größer als das Rotorgewicht FFT gewählt,
so dass die Normalkraft von GL sich zur Gewichtskomponente addiert, um
so das Gleichgewicht herzustellen. Somit lässt sich der Vorteil ableiten,
dass die regeltechnische Einrichtung zur Beeinflussung des Spalts
in RG von der stationären
Seite der Anlage zur Aussteuerung der Wicklungsströme von LA
und damit in vereinfachter Weise erfolgt. Hierzu trägt auch
bei, dass die Speiseleistung von GL infolge der kleineren Kraftkomponente
gegenüber
RG geringer ausfällt.
Weiterhin ist 1 zu entnehmen, dass bei Anlagen
mit großem
Durchmesser die Anlagenkomponenten z. B. das stationäre Befestigungsteil
TS für
GeS im Mittelbereich in vertikaler Richtung verhältnismäßig kleine Abmessungen aufweisen,
so dass die Strömung
für die
außen
positionierten Flügel
durch die se Komponenten wenig behindert wird. In der Zeichnung ist
mit KR darauf hingewiesen, dass bei großen Anlagen im Turm Messgeräte zur Funktionskontrolle
unterzubringen sind. Mit SCB ist ein Hinweis auf die für den Schaft
ZSC notwendige Fixiereinrichtung gegeben. Auf mögliche Ergänzungen der Anlage, wie etwa
eine oberhalb von AFO vorzusehende Plattform für Hubschrauberlandung sei hingewiesen.
-
WKA mit horizontaler Drehachse, 2
-
Die
Anwendung der oben erörterten
Gestaltungsgrundsätze
auf eine WKA mit horizontaler Drehachse führt zu dem in 2 sichtbar
gemachten Ergebnis, mit dem Rotor R, seiner Drehachse HA und dem
nicht rotierenden Teils, der sich auf den Turm ZST stützt und
dabei in der horizontalen Ebene um eine senkrechte Welle WV drehbar
ist.
-
Die
dem Rotor zugeordneten Wirkungsflächen zur Erzeugung der Umfangskraft
sind in äußere und
innere Flächen
FA und FI aufgeteilt und mit dem ringartigen Tragteil FT verbunden.
Sie sind um ihre radiale Achse FS drehbar befestigt. Ähnlich wie
in 1 werden die Fliehkräfte der Flügelblätter und die durch den Winddruck
verursachten Biegekräfte durch
diese Auffangmaßnahme
reduziert. Hierdurch wird eine massesparende und zugleich aerodynamisch
widerstandsärmere
Querschnittsbemessung möglich.
-
Der
im Querschnitt kastenförmig
gezeichnete Tragkörper
FT dient somit der Aufnahme von Flügelkräften und zugleich der Abstützung des
Rotorbauteils GeR des Ringgenerators RG. Ebenfalls in einem ringförmigen stationären Bauteil
RBG wird das Generatorteil GeS integriert. Die Verbindung dieses Bauteils
mit TZ erfolgt über
radial stehende Stützelemente
BS und ES, wobei letztere als Leitflächen zur Strömungsführung hinter
dem Flügelaustritt
eingesetzt werden können.
Leitflächen
ermöglichen
zusammen mit einer entsprechenden Anpassung der Flügel eine
Reduktion des in der Umfangskomponente der Strömung enthaltenen Energieanteils
und tragen zur Erhöhung
der Energienutzung bei.
-
Bei
Anwendung von Flügeln
mit reduzierten Widerstandsbeiwerten (und erhöhter Schnellläufigkeit)
verschiebt sich der Arbeitspunkt mit bestem Wirkungsgrad in der
Tendenz zu höheren
Umfangsgeschwindigkeiten. Am inneren Ende der Flügel FI und der Leitflächen ES
stehen sich die zwei Ringteile LR und LA gegenüber, die zur Festigkeit des
inneren Rotorteils und des Stator-Nabenteils TZ beitragen und gleichzeitig
die Aufnahme der Magnetteile des Lagers GL ermöglichen. Ähnlich wie im Falle von 1 wird
zusätzlich
zur Normalkraft des Generators FRG durch
das Magnetlager GL eine Gegenkraft FGL erzeugt,
um mit stationären
Geräten
und geringem Aufwand die Regelungsaufgabe übernehmen zu können. Von
den Wicklungen des Magnetlagers LA ausgehend, wird über eine
Signalgabe vom Luftspalt des Genera tors RG die Aussteuerung des
Magnetfeldes GL so geregelt, dass der Spalt auf etwa 1 cm konstant
gehalten wird. Haupteinflussfaktor ist in diesem Fall die horizontal
angreifende Windkraft FWH. Das Diagramm 2a zeigt
Größenverhältnisse
und Richtungen der Kräfte.
-
Es
wird deutlich, dass die Verbindung des Rotors R über die Nabe SF und der darin
befestigten Welle WH gegenüber
dem Tragteil TZ in axialer Richtung ein gewisses Spiel benötigt, in
dessen Rahmen die magnetische Regelung erfolgt, und dessen Grenze
für das
Absetzen des Rotors, z. B. in der Ruheposition NA 1, besteht.
-
Die
geschilderten Zusammenhänge
lassen erkennen, dass die Konzeptänderungen gegenüber WKAs
mit klassischem Generator und einteiligen Wirkelementen für alle aktiven
Teile der ersten beiden Energieumsetzungsstufen deutlich erhöhte Leistungsdichte
(mit entsprechend kleiner leistungsbezogener Masse) bedeuten. Anstelle
des für
die Leistungsumsetzung wenig effizienten nabennahen Innenraums wird
der Leistungsgewinnung im radialen Außenraum größere Bedeutung geschenkt und
hierzu eine großvolumige
Nabenverkleidung VS für
den Rotor in den Luftstrom gebracht. Die hiermit verursache Strömungszuführung zu
den Flügelblättern ist mit
einer Geschwindigkeitserhöhung
in axialer Richtung verbunden und trägt zur Leistungssteigerung
im äußeren Bereich
bei.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass die dargelegte Einführung von Leitflächen ES
am Strömungsaustritt
als leistungssteigernde Maßnahme
grundsätzlich
auch im äußeren Flügelbereich
von FA einsetzbar ist.
-
Ähnlich wie
im Falle von 1 ist auch für WKAs mit horizontaler Welle
eine vorteilhafte Dimensionierung von Bauteilen mit wichtiger Stützfunktion, wie
etwa FT, RBG, BS, ES, LR und LA, dadurch möglich, dass dabei in den meisten
Fällen
eine Doppelnutzung vorliegt, ohne dass sich entsprechende Materialspannungen
an gleicher Stelle überlagern.
-
WKA mit horizontaler Drehachse und aerodynamischen
Wirkflächen
in Zylinderform, 3, QAR-Verfahren
-
Rotierende
Zylinder ermöglichen
bei Queranströmung
durch Nutzung des Magnuseffekts, z. B. entsprechend die Erzeugung
einer Umfangskraft auf den Rotor R. Mit 3 ist hierbei eine
Reihe gleichartiger rotierender Zylinder gegenüber der Drehachse des Rotors
HA sternförmig
angeordnet und steht im Luftstrom der Zuströmseite, der parallel zu HA
verläuft. Ähnlich wie
bei 2 lässt sich
bei einer entsprechend konzipierten WKA mit rotierenden Zylindern
als Wirkfläche
die Umfangskraft durch Einsatz eines Ringgenerators RG zweckmäßig in elektrische
Energie umsetzen. Im Unterschied zur Anordnung nach 2 wird
nun entsprechend 3a mit Bauteilen des stationären Teils
S dem zuströmenden
Wind mit Hilfe einer Leitvorrichtung und deren Elementen ES eine
Drallkomponente vr in Richtung der Rotorbewegung
vermittelt. Die durch Rotation der Zylinderwirkflächen FA
8nd FI erzeugten Druckunterschi3ede in Umfangsrichtung ermöglichen
die Entstehung eines Drehmoments für den Rotor R. Das Verfahren
der quer angeströmten
Rotoren (QAR-Verfahren) führt
zum weitgehenden Entzug der Drallkomponente der Luftströmung und
bedeutet eine ähnliche
Energieumsetzung wie im Falle der tragflügelähnlichen Wirkflächen, der
Flügelblätter von 2.
-
Zur
Vermeidung von Randeffekten strömungstechnischer
Art, die zu einem unerwünschten Druckausgleich
führen,
sich am äußeren Rand
der Wirkelemente FA ringförmige
Bauteile TR und E mit axialen Überständen eingesetzt.
Sie dienen gleichzeitig der Abstützung
von Fliehkräften
der Rotoren und der Lagerung des Rotorschafts.
-
Der
notwendige Antrieb der Zylinder des QAR-Verfahrens erfolgt zweckmäßig über Elektromotoren
Ar am inneren Rand des Rotorschafts FS.
-
Da
die Drehgeschwindigkeit der Zylinder starken Einfluss auf die erzielbare
Umfangskraft hat, eignet sich ihr Antrieb als primäre Einflussgröße zur Regelung
der Turbinenleistung. Eine Nachführung der
Winkelstellung der Leitflächen
ES ermöglicht
mit der damit geänderten
Anströmrichtung
die bestmögliche
Nutzung der Windenergie.
-
Für die Anordnung
des Ringgenerators RG gilt wieder, wie in 2, die Wahl
eines großen
Kreisdurchmessers DG und die axiale Bauweise,
so dass seine Normalkraft FRG der auf den
Rotor wirkenden Windkraft FWH mit achsenparalleler
Richtung entgegenwirkt und diese in ihrer Größe übersteigt.
-
Die
Herstellung des Gleichgewichts der axialen Kräfte übernimmt FGL die
durch das innere Magnetlager GL erzeugte dritte Kraftkomponente
FGL. Der elektrisch passive Teil LR des
Lagers GL ist dem Rotor R, der aktive Teil LA dem stationären Anlagenteil S
zugeordnet. Ähnlich
wie in 2 beschränkt
sich die mechanische Lagerung des Rotors R auf die reibungswirkenden
Kräfte
durch die Bauteile WH und TZ.
-
Der
in den Wirkflächenbereich
integrierte Ringgenerator ermöglicht
somit auch im Falle des QAR-Verfahrens eine bezüglich Massenreduktion und Wirkungsgradsteigerung
besonders günstige
Lösung.
Es liegt damit ein zweckmäßiger Ansatz
zum Bau von WKAs großer
Leistung und wirtschaftlichem Betrieb vor.