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Zur
Reduzierung des CO2-Ausstoßes und zur
Schonung fossiler Ressourcen plant die EU-Kommision eine Verpflichtung
der Mitgliedstaaten, wobei bis zum Jahr 2020 im Durchschnitt 20% des
Endenergieverbrauches durch Erneuerbare Energien (EE) substituiert
werden soll. Dabei soll der nachhaltigen Stromproduktion durch Windenergie, die
im Jahr 2007 6,4% des Bruttostromverbrauchs zur Verfügung stellte,
einen besonderen Stellenwert gegeben werden [1]. Das Ziel der Bundesregierung im
Bereich der Stromerzeugung durch Erneuerbare Energien sind 30% des
Bruttostromverbrauches im Jahr 2020 (14,2% im Jahr 2007). Diese
Ziele erfordern die optimale Nutzung sämtlicher EE-Optionen.
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Zur
nachhaltigen Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien haben sich
heute Windkraftanlagen mit einem Stromgenerator und horizontaler
bzw. quasihorizontaler Welle, bei der auf der Rotationsachse eine
windkraftnutzende Einrichtung wie z. B. Windrad montiert ist, durchgesetzt.
Es sind sowohl Ausführungen
mit einem Getriebe, bei der das Getriebe als Drehzahlübersetzer
zwischen dem Generator und der Windradwelle montiert ist, sowohl
auch direkt angetriebene Generatoren bekannt. Allgemein ist jedoch
festzustellen, dass aufgrund der niedrigen Drehzahlen des Windrades
bzw. des Getriebes die spezifische Stromausbeute pro WSKA relativ
niedrig ist. Die spezifische Investitionskosten, insbesondere bei
Standorten mit einem unterdurchschnittlichen Jahreswindangebot und
niedrigen Jahreswindgeschwindigkeiten < 5 m/s·a, sind entsprechend hoch.
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Die
Effizienz der WK-Anlagen sowie derer Verteilung in Gebieten mit
nicht ausreichender Windstärke,
insbesondere auf dem Festland ist nicht zufrieden stellend. Insbesondere
die Aufstellung von neuen Anlagen in diesen Gebieten ist problematisch, da
die Anzahl potentieller Standorte mit hohen Jahreswindgeschwindigkeiten
gering ist. Andererseits erlauben die bekannten WSKA einen wirtschaftlichen Generatorbetrieb
in relativ engen Windkraftleistungsfenstern, die Möglichkeiten
zur Leistungsregelung durch mechanische Regelmechanismen wie z.
B. bei spontaner Leistungsabfall bzw. -bedarf ist gering oder nicht
gegeben, es kommt u. U. oft zu WSKA-Abschaltungen vor, obwohl die
Anlagen noch geregelt Strom produzieren können.
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Zur
Erreichung der Ziele der EU und der Bundesregierung im Bereich Erneuerbarer
Energien sind neue innovative Lösungen
zur Erhöhung
der Effizienz der vorhandenen Windkraftparks bzw. der -Anlagen notwendig.
Dabei soll nicht nur die Effizienz de Anlagen gesteigert, sondern
auch die Wirtschaftlichkeit der Anlagen nicht erheblich belastet
werden.
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Eine
Erhöhung
der Stromausbeute einer WSKA kann zur Zeit nur durch extensive Maßnahmen,
d. h. durch die Wahl höherer
Anlagenparameter wie z. B. Windraddurchmesser, Höhe der Generatormastaufhängung, d.
h. mit entsprechender Getriebeleistung (falls vorhanden) und höherem Gewicht,
erzielt werden. Die Regelungsmöglichkeiten
durch mechanische Einrichtungen sind begrenzt und schließen in der
Regel Maßnahen
zur Rotation der Windradblätter
bzw. der Windrad-Generator-Aufhängung, also
aerodynamische Regelungsmaßnahmen
ein. Die Nutzung von automatischen Getrieben sowie Mehrstufen-Generatoren
ist aus Kostengründen nicht
wirtschaftlich und hat sich nicht durchgesetzt.
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Maßnahmen
zu intensiver und extensiver Erhöhung
der WSKA-Leistung bzw. der Stromausbeute bei einer Beibehaltung
der wichtigsten WSKA-Abmessungen, -parameter und Standortanbindungen bzw.
Infrastrukturen sind nicht bekannt. Besonders auf dem Festland sind
neue geeignete Standorte für WSKA
kaum vorhanden, so dass in letzter Zeit die Entwicklung von neuen
WSKA-Standorten im „Off-shore”-Bereich
verlagert werden sollen. Dabei sind „Off-shore”-WSKA deutlich kostenintensiver
als die Festland-WSKA, da in diesem Fall die Fundamente der Mastaufhängung der
Generatoren mit höherem
Aufwand auf dem Meersboden befestigt werden müssen. Die Tendenz ist aufgrund
der Wirtschaftlichkeit zu größeren Anlagen,
wobei die Netzanbindung größerer „Off-Shore”-Windparks
problembehaftet ist.
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Die
Schaffung einer wirtschaftlichen Leistungssteigerung bzw. -reduktion
mit kurzen Reaktionszeiten im Bereich > 40% der Generatorleistung, wie die Erfindung
möglich
macht, kann sich positiv auf die Regelfähigkeit einer oder mehreren
WSKA, insbesondere bei konstanten Windstärken und kurzfristigen Abfall
bzw. Anstieg des Strombedarfes auswirken.
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Daher
können
Intensivierungsmaßnahmen und
-lösungen
zur Erhöhung
der Stromausbeute der Wirtschaftlichkeit neuer und bestehender Anlagen zugute
kommen. Damit kann der Anteil der regenerativen Stromerzeugung am
Gesamtstromverbrauch mit relativ niedrigen Investitionen ausgebaut
und optimiert werden. Solche universelle Möglichkeiten sind zur Zeit nicht
verfügbar.
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Das
Gewicht elektrischer Generatoren verhält sich umgekehrt proportional
zu ihrer Drehzahl. Das heißt,
dass sie bei gleicher Leistung umso gewichtiger ausfallen müssen, je
langsamer sie drehen. Das stört
bei Dampf- oder Wasserkraftwerken nicht so sehr. Hier ruhen Generator
und Turbinenaufhängung
samt dem möglicherweise
nötigen Übersetzungsgetriebe
auf festen Fundamenten. Beim Windstromgenerator muss dagegen der
Generator aus technischen Gründen
in der Nähe
des Rotors untergebracht werden, da eine räumliche Trennung komplizierte Übertragungsanlagen
erfordert, so dass das Gewicht eine wesentliche Rolle für die Gesamtauslegung
und die Wirtschaftlichkeit der WSKA spielt. Hinzu ergibt sich aus
der angestrebten Gewichtsminimierung des Generators eine erhebliche
Disparität seiner
Drehzahl zur Rotordrehzahl. Anders als etwa bei Wasserkraftwerken
scheidet bei der Mehrzahl der WK-Anlagen der ersten Generation eine
direkte Kupplung von Rotor- und Generatorwelle von vornherein aus.
Man braucht bislang in diesen Fällen
ein Getriebe, das nicht nur Reibungsverluste bedingt, sondern auch
bis in die jüngste
Vergangenheit erhebliche technische Probleme aufwarf, je höher das
erforderliche Übersetzungsverhältnis ist.
Der Einsatz eines Getriebes führt
jedoch zu technischen und wirtschaftlichen Problemen, die gelöst werden
müssen. Die
Anzahl der Getriebeschaden bei WSKA der ersten Generation hat zur
Verunsicherung bei den Investoren geführt.
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1992
präsentierte
die Firma Enercon erstmals den Prototyp einer getriebelosen Windkraftanlage,
aus der dann als erstes Serienmodell die E-40 mit einer Nennleistung
von 500 Kilowatt entstand. Der Generator wurde direkt vom Rotor
angetrieben und erreichte bei 38 Umdrehungen pro Minute die Nennleistung.
Es handelte sich um einen elektrisch erregten Synchrongenerator
mit 84 Polen, der einen Durchmesser von fast fünf Metern erreichte. Der Verzicht
auf das Getriebe wurde also mit einem ungewöhnlich großen Umfang und Gewicht des
Turmkopfes erreicht. Das hohe Generatorgewicht brachte allerdings
auch Probleme mit sich. So brach anfangs bei einigen Anlagen des
Typs E-40 der 25 Tonnen schwere Generatorkopf samt dem Rotor ab
und stürzte
zu Boden [2]. Das Dilemma der Erhöhung der maximalen Drehzahl
des Generator-Stranges bei minimalem Gewicht und daher die Verbesserung
der Wirtschaftlichkeit ist bis heute nicht gelöst. Hier setzt die o. g. Erfindung
an.
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Diese
Probleme werden durch die in Patentansprüchen 1 bis 7 aufgeführten Merkmale
(zusätzliches
Windrad, das mit einem mobilen Stator des Stromgenerators verbunden
ist) gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf der Tatsache, dass klassische WSKA mit Mastaufhängung seit
Jahren im Wesentlichen ähnlich
ausgestattet bzw. nicht weiterentwickelt wurden, wobei diese Anlagen
noch über erhebliche
Optimierungspotentiale in Bezug auf die Erhöhung der spezifischen Stromausbeute
verfügen. Zur
Mobilisierung dieser Potentiale wird ein separater Antrieb beider
Teile eines Stromgenerator-Stranges, sowohl des Rotors als auch
des Stators, die mit je ein Windrad so verbunden sind, dass die
Windströmung eine
gegenläufige
Bewegung von Rotor (R) und Stator (L) des Stromgenerators bewirkt,
in Anspruch genommen. Durch den erstmals in die Gegenrichtung der
Rotorbewegung drehenden Stator wird die relative Generatordrehzahl
als Summe der Rotor- und Statordrehzahl effektiv erhöht. Im Idealfall,
wo keine aerodynamische Verluste und eine Parität der Stator- und Rotordrehzahl
erreicht wird, kann die relative Generatordrehzahl getriebelos verdoppelt
werden. Das Ergebnis ist eine Erhöhung der spezifischen Stromausbeute
ohne aufwändige
extensive Maßnahmen
wie z. B. Einsatz eines Getriebes, als extensive Maßnahmen
bleiben jedoch die Anbringung bzw. Montage eines zusätzlichen
Windrades und die entsprechende mobile Ausführung des Stromgenerator-Stators
mit Windradkopplung und gelagerter Winradmast-Aufhängung. Da
das Gewicht des Zusatzwindrades bzw. der mobilen Stator-Ausführung im Vergleich
mit dem ursprünglichen
Generatorgewicht vernachlässigbar
sind, können
die vorgeschlagenen Intensivierungsmaßnahmen als quasi gewichtsneutral
bezeichnet werden, das kommt vor allem der Wirtschaftlichkeit der
WSKA zugute.
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Bei
der Ausführung
der Erfindung gemäß dem Anspruch
Nr. 5 ist ein Einsatz mehrerer Generatoren der vorgeschlagenen Ausführung, die
symmetrisch gegenüber
einer WSKA-Mast aufgehängt
sind, vorgesehen. In diesem Fall ist die Umrüstung bestehender Anlagen erst
nach einer Statik-Prüfung
möglich,
da jedoch gewichtrelevante Teile wie z. B. Getriebe ausfallen können, ist
eine Nutzung bestehender Anlagen nach Patentanspruch Nr. 5 denkbar.
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Der
im Patentanspruch 1 bis 7 angegebenen Erfindung liegt das Problem
zugrunde, die Leistung bestehender Windkraftanlagen mit einfachen
Mittel zu steigern und die Nutzungseffizienz bestehender und neuer
Windparks deutlich zu erhöhen.
Die Erfindung erlaubt eine intensive Erhöhung der WSKA-Leistung bei einer
Beibehaltung der Anlagenabmessungen, -gewicht und Ausstattung mit
Fundamenten, Mast und Peripherieanlagen. Dies führt zur Reduzierung der spezifischen
Stromgestehungskosten und zur Verbesserung der Anlagenwirtschaftlichkeit.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die erzielbare Leistung der Generatoranlagen unter der Beibehaltung der
WSKA-Parameter deutlich erhöht
werden kann, wobei die höhere
spezifische Stromausbeute lediglich durch Erhöhung der Windradzahl pro Anlage
mit einer Neuanordnung des Generatorstranges erreicht werden kann.
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Die
Möglichkeit
der Auf- bzw. Umrüstung
bestehender WSKA mit weiterer Nutzung vorhandener Mastaufhängung und
Fundamente und effektiver Erhöhung
der spezifischen Stromausbeute, die eine positive Wirkung auf die
Wirtschaftlichkeit hat, ist gegeben. Dazu kommt eine Reduzierung
der Wartungs- und Investitionskosten zugute, da der Einbau eines Getriebes
nicht notwendig ist.
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Somit
kann die Windstromausbeute und die Wirtschaftlichkeit bestehender
und neugebauter Windparks deutlich erhöht werden. Dazu sind relativ einfache
technische Mittel und Maßnahmen
erforderlich.
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Dies
ist z. B. für
Betreiber von Festland-Windparkanlagen besonders interessant. Mit der
Umsetzung der Erfindung kann eine Erhöhung der Gesamt-Windstromausbeute
ohne Erschließung zusätzlicher
Festland-Windparks mit dazugehörigen Akzeptanzproblemen
erreicht werden. Unter Berücksichtigung
der Verluste und der aerodynamischen Beeinträchtigungen der Windradantriebe
kann die Netto-Erhöhung der
Stromausbeute pro Anlage, je nach WSKA-Leistung und Windkraftexponierung,
auf 50 bis 75% geschätzt
werden. Dabei ist die Möglichkeit
der Auf- bzw. Umrüstung
bestehender Anlagen gegeben.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung gibt die Anordnung nach Patentanspruch
2 wieder. Dadurch wird ermöglicht
auf einer WSKA-Mast zwei oder mehrere Stromgeneratoren symmetrisch
anzuordnen, was der spezifischen Stromausbeute sowie dem Vibrationsverhalten
der WSKA zugute kommt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentansprüchen 1 und
2 angegeben. Der WSKA-Aufbau nach Patentanspruch 1 ermöglicht es,
die Drehzahl und die Leistung eines Stromgenerators 3 durch
den Einsatz eines zusätzlichen Windrades 2 gleicher
Bauart, das mit dem Stator 4 des Stromgenerators 3 fest
verbunden ist und der Stator durch eine Lageraufhängung beweglich
ist, deutlich zu erhöhen
und damit die WSKA-Stromleistung zu steigern.
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Gewicht
und Abmessungsparameter der WSKA bleiben nahezu konstant, da im
Vergleich mit einer konventionellen WSKA lediglich ein zusätzliches
Windrad und die Statorlagerung eingebaut werden. Die Investitionskosten
einer WSKA nach Patentanspruchen 1 und 2 sind bis auf die Kosten
dieser Zusatzteile mit den Kosten einer vergleichbaren konventionellen
Anlage vergleichbar, die erzielte Stromleistung kann durch den Einsatz
der mehrfach angetriebener Stromproduktion gemäß des Patentanspruches 1 bis
7 im Idealfall jedoch nahezu verdoppelt werden. Unter Berücksichtigung
der Verluste durch Windradschatten und weitere Strömungsverluste durch
gegenseitige Windrad-Beeinflussung
kann die erzielbare Erhöhung
der WSKA-Leistung durch die WSKA-Gestaltung nach Patentanspruch
3 im Vergleich mit konventionellen Anlagen real auf ca. 80% geschätzt werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigen
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1 Ansichten
einer WSKA nach Patentansprüchen
1, 2 und 3
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2 Ansichten
einer WSKA nach Patentanspruch 5
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Es
folgt die Erläuterung
der Erfindung anhand der Zeichnungen nach Aufbau und ggf. auch nach
Wirkungsweise der dargestellten Erfindung: „Windkraftanlage mit mehrfach
angetriebener Stromproduktion” unterscheiden.
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1 zeigt
eine Ausführung
gemäß den Patentansprüchen 1,
2 und 3, wobei Windrad 2 mit Stator 4 und Windrad 1 mit
Rotor 6 des Stromgenerators 3, jeweils auf beiden
Seiten des Generators 3 fest verbunden sind, so dass eine
gegenläufige
Drehung dieser Generatorteile durch die Windkraft ermöglicht wird.
Dabei werden Windräder 1 und 2 luv- oder
leeseitig je nach Windströmungsrichtung
angetrieben. Windrad 2 ist mit dem einem mobilen Stator 4,
Windrad 1 mit dem beweglichen Rotor 6 fest verbunden,
so dass beide Teile Stator 4 und Rotor 6 im Generatorgehäuse 3 gelagert
sind, wobei die Windradblätter
der Windräder 1 und 2 so
gerichtet sind, dass eine gegenläufige
Drehung des Rotors 6 und des Stators 4 möglich ist.
Beide Windräder 1 und 2 sowie
Generator 3 sind symmetrisch zur WSKA-Mast 7 montiert
und die Windradblätter
des Windrades 1 auf 60 Grad gegenüber der Windradblätter des
Windrades 2 versetzt, so dass beide Windräder 1 und 2 ausgewogen
ohne Unwuchten betrieben werden können.
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2 zeigt
eine Ausführung
gemäß den Patentansprüchen 1,
2 und 5. Dabei sind auf einer Seite der Windradmast 8 Windräder 1 und 2 und
auf der anderen Seite die Windräder 3 und 4 auf
zwei Generatoren gemäß Patentanspruch
2 montiert. Dabei werden die Rotoren 7 und die Statoren 6 der
beiden Generatoren mit den Windrädern 1 bis 4 so
verbunden, dass jeweils ein Windrad auf einem Rotor bzw. Stator
fest eingebaut ist und die Rotoren bzw. Statoren jeweils durch die
Lagerung 6 mit dem Generatorgehäuse beweglich so angetrieben
werden, dass bei jedem Paar jeweils Rotor und Stator gegenläufig montiert
sind.
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Quellen
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- [1] BMU: Entwicklung der erneuerbaren
Energien in Deutschland im Jahr 2007, Grafiken und Tabellen Stand:
Juni 2008
- [2] Berliner Zeitung, 06.11.2002: https://www.berlinonline.de/berlinerzeitung/archiv/.bin/dump.fcgi/2002/1106/wissenschaft/0180/index.html
- [3] http://de.wikipedia.org/wiki/Windkraftanlage