DE102008057776A1

DE102008057776A1 - Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage und Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102008057776A1
Application number: DE102008057776A
Authority: DE
Inventors: Tim Brocks
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2010-05-27
Also published as: WO2010054844A2; WO2010054844A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage und eine Windkraftanlage, die einen im Fundament verankerten Turm und eine von diesem getragene, mit einem Rotor versehene Gondel sowie eine in der Gondel angeordnete Kompressoreinheit, die an einen Druckluftspeicher angeschlossen ist, umfasst, wobei der Druckluftspeicher zur Vergleichmäßigung der ausgangsseitigen Energieproduktion die Druckluft zur Umwandlung in elektrische Energie an einen elektrischen Generator abgibt. Es soll ein solches Verfahren und eine solche Windkraftanlage geschaffen werden, die insbesondere für mittelfristige Energieproduktionsintervalle eine effizientere Betriebsweise sowie eine deutlich einfachere und ortsunabhängige Bauweise ermöglichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Turm abgedichtet und in diesen die von der Kompressoreinheit erzeugte Druckluft zur Zwischenspeicherung eingespeist wird. Der Turm ist dazu nach außen abgedichtet als Turmspeicher ausgebildet, wobei die über eine Antriebswelle unter Zwischenschaltung eines Getriebes mit dem Rotor verbundene Kompressoreinheit eine an den Turmspeicher angeschlossene Druckleitung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage und eine Windkraftanlage, die einen im Fundament verankerten Turm und eine von diesem getragene, mit einem Rotor versehene Gondel sowie eine in der Gondel angeordnete Kompressoreinheit, die an einen Druckluftspeicher angeschlossen ist, umfasst, wobei der Druckluftspeicher zur Vergleichmäßigung der ausgangsseitigen Energieproduktion die Druckluft zur Umwandlung in elektrische Energie an einen elektrischen Generator abgibt.
Der Entwicklungsstand der Technik bei den Windkraftanlagen ist sehr weit fortgeschritten und auf hohem Niveau. Allerdings sind die bekannten Standardanlagen, wie Megawatt- und Multimegawattklassen, technisch sehr aufwendig und kostenintensiv. Hinzu kommt die teuere, komplexe und mitunter anfällige Leistungselektronik (Frequenzumrichtertechnologie), die zunehmend Anwendung findet.
Der Aufwand begründet sich darin, dass Wind eine intermittierende Energiequelle darstellt, mit dem Problem der diskontinuierlichen Stromproduktion, die sich am variierenden Windangebot orientiert. Solchermaßen erzeugter Strom steht selbst in Gegenden mit starken Windressourcen nicht regelmäßig und nach Bedarf zur Verfügung. Die Windkraftanlagen werden daher häufig gedrosselt, um auf Schwankungen der Windenergie zu reagieren. Bei zu schwacher Windkraft ist zudem Regelenergie erforderlich, für die häufig ein sehr großer Anteil der installierten Windkraftleistung vorgehalten werden muss. Außerdem sind die Übertra gungsmöglichkeiten an vielen Standorten sehr eingeschränkt, und neue Leitungen sind teuer und nur schwer, wenn überhaupt, zu errichten.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird Windenergie speicherbar gemacht, so dass sie auf Abruf verfügbar ist. Hierzu sind CAES(Compressed Air Energy Storage)-Kraftwerke, d. h. eine Druckluftspeicherung mit einer Speicherkapazität von Stunden bis zu Tagen bekanntgeworden (vgl. beispielsweise „Das Buch der Synergie – Teil C – Druckluft-Speicher (pneumatischer Speicher)”. Bei solchen Druckluftspeicherkraftwerken handelt es sich dem Grunde nach um ein Gasturbinenkraftwerk, das Spitzenlastenergie bereitstellt. Es wird die Energie genutzt, die in komprimierter Luft steckt. In Schwachlastzeiten wird mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter Druckluft in einer unterirdischen Kaverne gespeichert. Bei Spitzenlast, d. h. in Zeiten einer hohen Energienachfrage, wird die Druckluft in eine Gasturbine geleitet, die wegen des fehlenden Verdichters ihre volle Leistung an den angekuppelten Generator abgibt. Da bei der Expansion der Luft wieder Wärme zugeführt werden muss, um eine Vereisung der Turbinen zu vermeiden, wird immer eine Kombination aus Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerk verwendet. Der in solchen technisch aufwendigen Kraftwerken erzeugte Strom ist sehr teuer und wird daher nur zu bestimmten Zeiten zur Abdeckung von Spitzenlasten eingesetzt.
Um den Nutzwert der CAES-Windanlagen zu steigern und für einen verbreiteten Einsatz wirtschaftlich effizienter zu machen, ist durch die zuvor genannte Literaturstelle eine Weiterentwicklung bekannt geworden, nämlich die DWPS(Dispatchable Wind Power System)-Technologie. Diese sieht vor, wie gattungsgemäß angegeben, dass die Windkraftanlage anstatt der sonst in den Gondeln üblichen Generatoren mit windgetriebenen, proprietären Kompressoren ausgerüstet ist. Im Gegensatz zu den bisherigen Konzepten produzieren die Windräder somit keinen Strom, sondern gewinnen direkt mit dem in der Gondel angeordneten Druckluft-Kompressor Druckluft. Die Turbinen der DWPS-Windkraftanlage wandeln die kine tische Energie des Windes somit ohne Hilfe von Generatoren in den Gondeln direkt in potentielle Energie aus Druckluft um. Die Druckluft wird in unterirdischen Rohrleitungen in geologischen Speichermedien wie Satzstöcken, leeren Gas- und Ölfeldern oder in geeigneten Höhlensystemen gespeichert. Die Verlustbetrachtungen für derart offene Systeme und Konzepte gestalten sich allerdings schwierig und riskant.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Windkraftanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere für mittelfristige Energieproduktionsintervalle (in Stundenbereichen) eine effizientere Betriebsweise sowie eine deutlich einfachere und ortsunabhängige Bauweise ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Turm abgedichtet und in diesen die von der Kompressoreinheit erzeugte Druckluft zur Zwischenspeicherung eingespeist wird. Es wird somit erfindungsgemäß die mittels des Kompressors, z. B. ein Schraubenkompressor, statt elektrischem Strom primärseitig erzeugte Druckluft direkt am Ort des Geschehens, nämlich in dem ohnehin bereits vorhandenen Turm gespeichert. Indem zur Energiespeicherung keine weiteren, zusätzlichen Elemente erforderlich sind, insbesondere keine Abhängigkeit zu geologischen Speichermedien besteht, lässt sich in einfacher Weise die im abgedichteten Turm zwischengespeicherte Energie zur Vergleichmäßigung der Energieeinspeisung nutzbar machen. Die Fluktuation und Diskontinuität des Windes kann bis hin zu mehreren Stunden vergleichmäßigt, d. h. ausgeglichen werden. Der baulich unabdingbare Turm bekommt somit eine weitere Nutzung, und zwar erfindungsgemäß als Speicher bzw. Druckluftspeicher. Der Turm kann gleichzeitig in einfacher Weise isoliert werden, womit er auch wärmetechnisch, d. h. gegen Wärmeverlust, effizienter wird.
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass alle oder zumindest mehrere Windkraftanlagen eines Windparks die in den Türmen zwischengespeicherte Druckluft auf einen zentralen Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator speisen. Es ist somit ein einfacher, drehzahlvariabler Betrieb der Windkraftanlage mit Entkopplung zur konstanten Drehzahl (Frequenz) des nachgeschalteten, die in der Druckluft enthaltene Energie in elektrische Energie umwandelnden, elektrischen Generators möglich. Alle oder mehrere Windenergieanlagen eines Windparks können ihre Druckluft ohne Verminderung von elektrischen Verlusten und unter Erhöhung der Effizienz auf den zentralen Druckluftmotor mit gekoppeltem Asynchrongenerator speisen.
Hierbei wird vorteilhaft mittels Ventilen ein immer gleicher Druck am Asynchrongenerator gewährleistet, der somit im Betrieb fluktuationsfrei mit immer konstanter elektrischer Leistung einspeist. Im Vergleich zu den komplexen Generatoren der bekannten Windenergieanlagen sind Asynchrongeneratoren sehr einfache, robuste und wartungsarme Generatoren und produzieren einen qualitativ höherwertigen elektrischen Strom mit deutlich niedrigeren Kosten.
Die Erfindung eröffnet ein Speicher- und Energiemanagement im Verbund von mehreren Windkraftanlagen im Windpark oder im Verbund von mehreren Windparkprojekten mit einer Vielzahl neuer Möglichkeiten und eine Betriebsweise in diversen Modi. So beispielsweise die Energiezwischenspeicherung im Turm bei paralleler Erzeugung von elektrischer Energie am Asynchrongenerator, die Zwischenspeicherung von Energie im Turm, im Bypass die Produktion von elektrischer Energie am Asynchrongenerator oder Sonderbetriebsformen, z. B. Teillastbetrieb, Spitzenlastbetrieb (Überlastbetrieb), Betrieb bei Kurzschluss (Netzfehlern), Betrieb zur Unterstützung des Versorgungsnetzes oder zur Windparkregelung und -optimierung.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einer Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Turm nach außen abgedichtet als Turmspeicher ausgebildet ist und die über eine Antriebswelle unter Zwischenschaltung eines Getriebes mit dem Rotor verbundene Kompressoreinheit eine an den Turmspeicher angeschlossene Druckleitung aufweist, wobei der Turmspeicher nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung an eine Einheit aus einem Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator angeschlossen ist. Abgesehen davon, dass keine ortsabhängigen Speichermedien mit den dafür erforderlichen Leitungen erforderlich sind, entfallen anlagenseits durch den Einsatz von Druckleitungen sowie seitens der Anbindung einzelner Windkraftanlagen an die Einheit aus Druckluftmotor und elektrischem Asynchrongenerator sämtliche teueren Kabelverbindungen, wie Kupfer- oder Aluminiumkabel.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine am oberen Ende des Turms vorgesehene Windrichtungsnachführung mit integrierter Druckluftübergabe von der Kompressoreinheit zum Turmspeicher ausgebildet. Da im Energieteil keine anzusteuernde Leistungselektronik existiert, können aufwendige und kostenintensive Blattverstellungssysteme entfallen. Vielmehr reichen einfache Stall-Regelungen (passive Blattregelungen) aus, weil auf aufwendige Regeleingriffe seitens der Rotorblätter verzichtet werden kann.
Die Windrichtungsnachführung weist einen oberhalb des abgedichteten Turmsegmentes aufgesetzten Drehkranz auf, der wahlweise mit aktiver (motorischer) oder passiver Wind richtungsnachführungseinheit ausgerüstet wird. Weiter befindet sich in diesem oberen Turm-Gondel-Verbindungselement die Drucklufteinleitung mit Ventil (Rückschlagventil) zusammen mit einer Wärmerückgewinnungseinheit. Die Wärmerückgewinnungseinheit dient zur Effizienzerhöhung und der Vorwärmung der Druckluft im Turm für den Expansionsprozess im Druckluftmotor. Die Wärmerückgewinnung arbeitet nach dem Wärmetauscherprinzip in Wärmepumpentechnologie unter Ableitung der Wärme des Kompressors durch das Turm- Gondel-Verbindungselement hin zur Druckluft im Turmspeicher. Auch eine Verdichterstufe kann hier im Turm-Gondel-Verbindungselement eingebaut werden. Die Druckluftleitungen werden in Verdrilltechnik im Segment Windrichtungsnachführung mit integrierter Druckluftübergabe (Turm-Gondel-Verbindungselement) eingebaut. Dies erlaubt bis zu dreieinhalb Umdrehungen der Gondel, jeweils in beiden Drehrichtungen der Gondel.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand einer Prinzipdarstellung einer Windkraftanlage in der Bauweise mit horizontaler Rotationsachse (Horizontalläufer). Als optionale Bauform kann gleichermaßen ein Turm mit vertikaler Rotationsachse (Vertikalläufer) zum Einsatz kommen.
Von einem mit Windkraft betriebenen Kraftwerk zeigt die einzige Figur in einer schematischen Prinzipdarstellung als Einzelheit eines Windparks 1 eine Windkraftanlage 2 als Windenergieanlage. Diese besitzt einen bodenseitig im Fundament 3 verankerten Turm 4, auf dem oben eine Gondel 5 angeordnet ist. Ein Rotorblatt 6 bzw. Rotor der Windenergieanlage 2 ist in einer Rotornabe 7 der Gondel 5 gelagert.
Das Rotorblatt 6 ist über eine Antriebswelle 8 mit Bremseinheit unter Zwischenschaltung eines Getriebes 9 mit einer Kompressoreinheit 10 verbunden. Dieser ist eine Steuer- und Überwachungseinheit 11 zugeordnet.
Zur Druckluftspeicherung ist die Windenergieanlage 2 unabhängig von geologischen Voraussetzungen, wie Kavernen oder dergleichen unterirdischen Hohlräumen, denn der Turm 4 selbst ist nach außen völlig abgedichtet und in seinem Inneren als Turmspeicher 12 zur Einspeisung von mit der Kompressoreinheit 10 erzeugter Druckluft ausgebildet. Von der Kompressoreinheit 10 führt dazu eine Druckleitung 13 in den Turmspeicher 12, wobei die Druckluftübergabe in einer die Gondel 5 am oberen Turmende tragenden Windrichtungsnachführung 14 ausgebildet ist.
Die Windenergieanlage 2 oder alle bzw. mehrere Windenergieanlagen eines Windparks 1 speisen die vor Ort im Turmspeicher 12 gepufferte Druckluft über eine Druckventil-Verteilerelement Anbindungseinheit 15 zu einer aus einem Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator bestehenden Einheit 16. Die Einheit 16 kann, wie in der Zeichnung als Black-Box angedeutet, separat im Parkareal vorgesehen werden. Sie ist örtlich unabhängig und planungsspezifisch am effektivsten Ort im Windpark 1 zu platzieren und erfüllt die Aufgaben der Bündelung der Druckenergie aller Windkraftanlagen, der Energieumwandlung, der Transformation (Umspannwerk) und als elektrischer Übergabepunkt, um den erzeugten elektrischen Strom mittels Leitungen in das Energieversorgungsnetz zu leiten. In diesem eigenständigen Generatorteil des Windparks 1 werden die Druckleitungen 17 der einzelnen Windenergie- bzw. Windkraftanlagen gebündelt und die Druckluft behandelt (veredelt). Neben der Implementierung des Druckluftmotors (Pneumatikmotor) mit Kupplung zum Asynchronmotor, sind dort weiterhin die herkömmlichen elektrischen Übergabestationen, die Schaltanlagen, ein Transformator und optional auch eine Verdichtungsstufe und ein Luftentfeuchter integriert.
Die Anbindungseinheit 15 aus Druckübergabe vom abgedichteten Turm 4 an den Verteiler schließt zudem alle erforderliche Mess- und Sicherheitstechnik ein. Die Ventile und eine Überwachungseinheit sorgen für die Abgabe des Luftdrucks in korrekter Höhe an den Verteiler, der die betreffende Windkraft-/Windenergieanlage 2 mit dem Druckleitungsnetz 17, wie schematisch durch Strichelung angedeutet, mit der Einheit 16 aus Druckluftmotor und Asynchronmotor verbindet. Auch die elektrische Anschlussversorgung zu Steuerzwecken der Windkraft-/Windenergieanlage 2 ist hier untergebracht.
Es lassen sich somit stark vereinfachte (verschlankte) Windenergieanlagen mit direkter Speicherbarkeit der Druckluft vor Ort im Turmspeicher des vorhandenen Turms und Vergleichmäßigung der Energie erreichen. Abgesehen davon, dass die Windenergieanlage bzw. der Windpark unabhängig von natürlichen Speichermöglichkeiten ist, kann auf teuere Kupfer- oder Aluminiumkabel verzichtet werden und kommen umweltfreundliche, ölfreie Kompressoren und Druckluftmotoren zum Einsatz.

1: Windpark
2: Windkraftanlage/Windenergieanlage
3: Fundament
4: Turm
5: Gondel
6: Rotorblatt/Rotor
7: Rotornabe
8: Antriebswelle
9: Getriebe
10: Kompressoreinheit
11: Steuer- und Überwachungseinheit
12: Turmspeicher
13: Druckleitung
14: Windrichtungsnachführung
15: Anbindungseinheit/Druckventil-Verteilerelement
16: Einheit aus Druckluftmotor und Asynchrongenerator
17: Druckleitungsnetz/Druckleitungen

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage, die einen im Fundament verankerten Turm und eine von diesem getragene, mit einem Rotor versehene Gondel sowie eine in der Gondel angeordnete Kompressoreinheit, die an einen Druckluftspeicher angeschlossen ist, umfasst, wobei der Druckluftspeicher zur Vergleichmäßigung der ausgangsseitigen Energieproduktion die Druckluft zur Umwandlung in elektrische Energie an einen elektrischen Generator abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (4) abgedichtet und in diesen die von der Kompressoreinheit (10) erzeugte Druckluft zur Zwischenspeicherung eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder zumindest mehrere Windkraftanlagen (2) eines Windparks die in den Türmen (4) zwischengespeicherte Druckluft auf einen zentralen Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator (16) speisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Ventilregelung am Asynchrongenerator ein immer gleicher Druck eingehalten wird.
Windkraftanlage, die einen im Fundament verankerten Turm und eine von diesem getragene, mit einem Rotor versehene Gondel sowie eine in der Gondel angeordnete Kompressoreinheit, die an einen Druckluftspeicher angeschlossen ist, umfasst, wobei der Druckluftspeicher zur Vergleichmäßigung der ausgangsseitigen Energieproduktion die Druckluft zur Umwandlung in elektrische Energie an einen elektrischen Generator abgibt, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (4) nach außen abgedichtet als Turmspeicher (12) ausgebildet ist und die über eine Antriebswelle (8) unter Zwischenschaltung eines Getriebes (9) mit dem Rotor (6) verbundene Kompressoreinheit (10) eine an den Turmspeicher (12) angeschlossene Druckleitung (13) aufweist.
Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine am oberen Ende des Turms (4) vorgesehene Windrichtungsnachführung (14) mit integrierter Druckluftübergabe von der Kompressoreinheit (10) zum Turmspeicher (12) ausgebildet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmspeicher (12) an eine Einheit (16) aus einem Druckluftmotor mit gekoppeltem drehzahlkonstantem Asynchrongenerator angeschlosen ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Druckventil-Verteilerelement als Anbindungseinheit (15) zum Druckluftmotor mit Asynchrongenerator.