DE102010005538A1

DE102010005538A1 - Windenergieanlage mit einem oder mehreren Rotorblättern

Info

Publication number: DE102010005538A1
Application number: DE102010005538A
Authority: DE
Inventors: Matthias 97456 Bandorf
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-01-23
Filing date: 2010-01-23
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2011088925A2; WO2011088925A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem oder mehreren an einer Rotornabe über ein Drehlager (10, 12) winkelverstellbar angeordneten Rotorblättern (6, 8), wobei jedes Rotorblatt mit einem Verstellantrieb für die Blattwinkelverstellung verbunden ist. Um die bei herkömmlichen Verstellantrieben erforderlichen, den Antriebsmotoren nachgeordneten Getriebe zu vermeiden, die einen erheblichen Platzbedarf haben und einer ständigen intensiven Wartung bedürfen, ist gemäß der Erfindung der jeweilige Verstellantrieb als Direktantriebsmotor ausgebildet, dessen Rotor direkt oder über Kopplungsmittel mit dem Rotorblatt (6, 8) verbunden ist und dessen Stator sich an der Rotornabe (4) abstützt. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Rotor des Direktantriebsmotors jeweils mit einem dem Rotorblatt (6, 8) zugeordneten Lagerring (18, 20) des Drehlagers und der Stator des Direktantriebsmotors jeweils mit einem der Rotornabe (4) zugeordneten Lagerring (22, 24) zu einer integrierten Baueinheit zusammengefasst, d. h. Drehlager und Verstellantrieb bilden ein integriertes System.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem oder mehreren an einer Rotornabe über ein Drehlager winkelverstellbar angeordneten Rotorblätter, wobei jedes Rotorblatt mit einem Verstellantrieb für die Blattwinkelverstellung verbunden ist.
Hintergrund der Erfindung
Windenergieanlagen sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen verwirklicht worden, beispielsweise mit nur einem Rotorblatt, dessen Masse dann durch ein Gegengewicht ausgeglichen werden muss. Moderne Windenergieanlagen haben vorzugsweise zwei oder drei Rotorblätter als Optimum hinsichtlich des Bauaufwandes, der Kosten und des Wirkungsgrades.
Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise, wenn auch nicht ausschließlich, Windenergieanlagen der zuletzt genannten Art. Als Verstellantriebe für die Blattwinkelverstellung werden beispielsweise hydraulische oder elektrische Systeme eingesetzt. Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass alle Rotorblätter durch einen zentralen Verstellantrieb synchron verstellt werden, was vorzugsweise bei hydraulischen Systemen der Fall ist, oder dass jedem Rotorblatt ein individueller Verstellantrieb zugeordnet ist. Diese letztere Anordnung ist vorzugsweise bei elektrischen Verstellantrieben verwirklicht.
Herkömmliche elektrische Stellsysteme umfassen dabei vorzugsweise jeweils einen einem Rotorblatt zugeordneten Getriebemotor, der über ein Ritzel und einen an der Rotorblattwurzel angeordneten Zahnkranz das Rotorblatt verstellt, wie beispielsweise in der DE 199 48 997 B4 angegeben ist. Um dynamische Überlasten zu vermeiden, wird eine Verstellgeschwindigkeit im Bereich von 5° bis 10° pro Sekunde angestrebt. Um diese Verstellgeschwindigkeit zu ermöglichen, müssen die Getriebe der Getriebemotoren hohe Übersetzungen aufweisen, was beispielsweise mit vielstufigen Planetengetrieben oder Schneckengetrieben verwirklicht wird. Um bei individuell zugeordneten Verstellantrieben eine Synchronisierung der Blatteinstellwinkel zu ermöglichen, müssen den Rotorblättern Stellwinkelsensoren zugeordnet sein, deren Signale in einer Steuer- und Regeleinrichtung für die Ansteuerung der Verstellantriebe verwertet werden.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil von Getriebemotoren liegt in deren vergleichsweise großem Platzbedarf, welcher insbesondere bei den Rotorblättern individuell zugeordneten Verstellantrieben einen Einbau in dem begrenzten Einbauraum der Rotornabe schwierig macht. Weitere Nachteile liegen in dem zusätzlichen Wartungsaufwand für die Getriebe, deren Verschleiß, dem von den Getrieben erzeugten Betriebsgeräusch und schließlich auch den zusätzlichen Kosten. Außerdem verringert sich die Gesamtsystemsteifigkeit infolge der langen Wirkungskette, die durch die zahlreichen hintereinander angeordneten und miteinander in Eingriff befindlichen Getriebeelemente gebildet wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei welcher die Verstellantriebe für die Blattwinkelverstellung vor allem erheblich einfacher, kompakter und preiswerter sind sowie einen erheblich geringeren Wartungsaufwand erfordern.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben genannten Schwierigkeiten und Nachteile insbesondere durch die aufwendigen, stark untersetzten Getriebe verursacht werden, und dass eine Vereinfachung bei den Getrieben ansetzen müsste.
Die Erfindung geht daher aus von einer Windenergieanlage mit einem oder mehreren an einer Rotornabe über ein Drehlager winkelverstellbar angeordneten Rotorblättern, wobei jedes Rotorblatt mit einem Verstellantrieb für die Blattwinkelverstellung verbunden ist. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Verstellantrieb als Direktantriebsmotor ausgebildet ist, dessen Rotor direkt oder über Kopplungsmittel mit dem Rotorblatt verbunden ist und dessen Stator sich an der Rotornabe abstützt. Moderne Direktantriebsmotoren können auf ganz bestimmte Eigenschaften hin optimiert werden, beispielsweise auf hohe Drehmomente (high torque), hohe Geschwindigkeiten (high speed), hohe Positioniergenauigkeit oder hohe Energieeffizienz.
Direktantriebe sind definitionsgemäß Antriebe, bei denen der Antriebsmotor mit dem jeweils angetriebenen Aggregat direkt oder allenfalls über Kopplungsmittel verbunden ist. Der Antriebsmotor wird so ausgelegt, dass er direkt die Drehzahl des angetriebenen Aggregates hat, so dass Übersetzungs- oder Untersetzungsgetriebe entfallen können.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Direktantriebsmotor genutzt, welcher direkt oder gegebenenfalls über geeignete Kopplungsmittel mit dem Rotorblatt verbunden ist, wobei sich der Stator des Direktantriebsmotors an der Struktur der Rotornabe abstützt. Die Auslegung des Direktantriebsmotors wird so getroffen, dass dieser die gewünschte Blattverstellgeschwindigkeit und den gewünschten Anstellwinkel exakt liefert.
Durch die Verwendung der beschriebenen Antriebsmotoren entfallen nachgeordnete Getriebe, so dass die damit verbundenen Kosten, ein Verschleiß, Betriebsgeräusche und Wartungsaufwand vermieden werden, wobei die Verstellantriebe gleichzeitig einen geringeren Platzbedarf haben und eine höhere Systemsteifigkeit aufweisen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass Direktantriebsmotoren selbst eine hohe Positioniergenauigkeit erreichen, so dass zusätzliche Drehwinkelsensoren entfallen bzw. im Direktantrieb integriert werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor des Direktantriebsmotors jeweils mit einem dem Rotorblatt zugeordneten Lagerring des Drehlagers und der Stator des Direktantriebsmotors jeweils mit einem der Rotornabe zugeordneten Lagerring des Drehlagers eine integrierte Baueinheit bilden. In diesem Fall bilden demnach die Rotorblattlagerung einerseits und der Direktantriebsmotor andererseits ein integriertes System, womit eine erhebliche Bauteilreduzierung erreicht wird. Diese Ausgestaltung fällt in die Kategorie der jeweils einem Rotorblatt individuell zugeordneten Verstellantriebe.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rotor des Direktantriebsmotors mit dem drehenden Element eines Gewindespindeltriebs verbunden ist, und dass das längsverschiebbare Element des Gewindespindeltriebs mit dem jeweils zugeordneten Rotorblatt gekoppelt ist. Diese Ausgestaltung erlaubt es einerseits, jedem Rotorblatt einen Verstellantrieb individuell zuzuordnen, andererseits aber auch, alle Rotorblätter mittels eines zentralen Verstellantriebes zu verstellen, wobei dann das längsverschiebbare Element des Gewindespindeltriebs über Kopplungsmittel mit allen Rotorblättern gekoppelt ist.
Gemäß einer besonders günstigen konstruktiven Ausgestaltung des zuletzt beschriebenen Antriebssystems bildet der Rotor des Direktantriebsmotors mit der Spindelmutter des Gewindespindeltriebs eine integrierte Baueinheit, wobei die Gewindespindel in der oben beschriebenen Weise mit dem jeweils zugeordneten Rotorblatt gekoppelt ist.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung treibt ein Direktantriebsmotor ein Antriebsritzel an, welches mit einem am zugeordneten Rotorblatt angeordneten, zur Drehachse des Rotorblattes konzentrischen Innen- oder Außenzahnkranz im Eingriff ist. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere dafür, bei bestehenden Systemen, bei denen die Rotorblätter mittels Getriebemotoren, Ritzel und Zahnkränzen verstellt werden, die Getriebemotoren durch Direktantriebsmotoren zu ersetzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt
1 schematisch einen Längsschnitt durch einen Windenergieanlage, wobei Drehlager und Verstellantrieb ein integriertes System darstellen,
2 eine Ansicht ähnlich der 1, wobei ein zentraler Verstellantrieb als Gewindespindeltrieb mit direkt angetriebener Spindelmutter ausgebildet ist, und
3 eine Darstellung ähnlich den 1 und 2, wobei individuell zugeordnete Verstellantriebe als Direktantriebsmotoren ausgebildet sind, welche die Rotorblätter über Ritzel und Zahnkranz verstellen.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 dargestellte Windenergieanlage 2 umfasst eine drehbar gelagerte Rotornabe 4, die in bekannter und deshalb nicht näher dargestellter Weise mit einem elektrischen Generator verbunden ist. An der Rotornabe 4 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei einander diametral gegenüberliegende Rotorblätter 6 bzw. 8 angeordnet, die jeweils über ein Drehlager 10 bzw. 12 um eine Drehachse 14 bzw. 16 winkelverstellbar an der Rotornabe 4 angeordnet sind. Auf diese Weise kann der Anstellwinkel der Rotorblätter 6, 8 an die jeweiligen Windverhältnisse angepasst und gegebenenfalls bis in eine Bremsstellung verstellt werden, wie an sich bekannt ist. Eine entsprechende Anordnung ist auch mit drei oder mehr Rotorblättern möglich.
Die Drehlager 10, 12 weisen jeweils einen dem Rotorblatt zugeordneten Lagerring 18 bzw. 20 sowie einen der Rotornabe 4 zugeordneten Lagerring 22 bzw. 24 auf. Die der Rotornabe 4 zugeordneten Lagerringe 22 bzw. 24 bilden jeweils auch den Stator und die den Rotorblättern 6, 8 zugeordneten Lagerringe 18 bzw. 20 den Rotor eines Direktantriebsmotors, wobei die Lagerringe bzw. Statoren 22, 24 jeweils über eine elektrische Anschlussleitung 26 bzw. 28 mit Strom versorgt werden. Diese Anordnung ist besonders Platz sparend, da sie im Wesentlichen keinen Platz innerhalb der Rotornabe 4 beansprucht.
Die elektrischen Anschlussleitungen 26, 28 sind mit einer nicht dargestellten Regel- und Steuerungseinrichtung verbunden, über die der Anstellwinkel der Rotorblätter 6, 8 synchron gesteuert wird. Da die mit den Drehlagern 10, 12 integrierten Direktantriebsmotoren über die Regel- und Steuerungseinrichtung genau positioniert werden können, sind gesonderte Drehwinkelsensoren nicht erforderlich.
2 zeigt eine Anordnung ähnlich der 1, die sich von dieser nur in der Verstellantriebseinrichtung zum Verstellen der Rotorblätter 30, 32 unterscheidet. Während im Ausführungsbeispiel gemäß der 1 jedem Rotorblatt 6, 8 ein eigener Verstellantrieb individuell zugeordnet ist, umfasst das Ausführungsbeispiel gemäß der 2 einen zentralen Verstellantrieb 34 zur synchronen Winkelverstellung der Rotorblätter 30, 32. Der Verstellantrieb 34 ist ein Direktantriebsmotor, dessen Rotor mit dem drehenden Element, hier mit der Spindelmutter 36 eines Gewindespindeltriebes 38 eine integrierte Baueinheit bildet. Die längsverschiebbare Gewindespindel 40 ist über geeignete Kopplungsmittel 42 (hier Stellhebel) mit den Rotorblättern 30, 32 antriebsverbunden, so dass diese bei einer Betätigung des Verstellantriebes 34 stets synchron verstellt werden.
3 zeigt eine Ansicht ähnlich den 1 und 2 und unterscheidet sich von diesen wiederum nur in der Verstellantriebseinrichtung zum Verstellen der Rotorblätter 46 bzw. 48.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der 3 ist jedem der an der Rotornabe 66 winkelverstellbaren Rotorblätter 46, 48 ein Verstellantrieb 50 bzw. 52 individuell zugeordnet. Die Verstellantriebe 50, 52 sind als Direktantriebsmotoren ausgebildet, an deren Ausgangswelle jeweils ein Antriebsritzel 54 bzw. 56 angeordnet ist, welches mit einem am zugeordneten Rotorblatt 46 bzw. 48 angeordneten, zur Drehachse 68 der Rotorblätter konzentrischen Außenzahnkranz 58 bzw. 60 im Eingriff ist. Die Verstellantriebe 50, 52 werden wiederum über elektrische Anschlussleitungen 62 bzw. 64 von einer Steuer- und Regeleinrichtung so angesteuert, dass die Rotorblätter 46, 48 jeweils synchron verstellt werden, was durch die hohe Positioniergenauigkeit der als Direktantriebsmotoren ausgebildeten Verstellantriebe 50, 52 ohne weiteres möglich ist, ohne dass die Winkelstellung der Rotorblätter 46, 48 durch gesonderte Drehwinkelsensoren erfasst werden muss.
Bezugszeichenliste

2: Windenergieanlage
4: Rotornabe
6: Rotorblatt
8: Rotorblatt
10: Drehlager
12: Drehlager
14: Drehachse
16: Drehachse
18: Lagerring
20: Lagerring
22: Lagerring
24: Lagerring
26: Anschlussleitung
28: Anschlussleitung
30: Rotorblatt
32: Rotorblatt
34: Verstellantrieb
36: Spindelmutter
38: Gewindespindeltrieb
40: Gewindespindel
42: Kopplungsmittel
46: Rotorblatt
48: Rotorblatt
50: Verstellantrieb
52: Verstellantrieb
54: Antriebsritzel
56: Antriebsritzel
58: Außenzahnkranz
60: Außenzahnkranz
62: Anschlussleitung
64: Anschlussleitung
66: Rotornabe
68: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19948997 B4 [0004]

Claims

Windenergieanlage mit einem oder mehreren an einer Rotornabe (4, 66) über ein Drehlager (10, 12) winkelverstellbar angeordneten Rotorblättern, wobei jedes Rotorblatt mit einem Verstellantrieb für die Blattwinkelverstellung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellantrieb (50, 52) als Direktantriebsmotor ausgebildet ist, dessen Rotor mit dem Rotorblatt (46, 48) verbunden ist und dessen Stator sich an der Rotornabe (66) abstützt.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor des Direktantriebsmotors jeweils mit einem dem Rotorblatt (6, 8) zugeordneten Lagerring (18, 20) des Drehlagers und der Stator des Direktantriebsmotors jeweils mit einem der Rotornabe (4) zugeordneten Lagerring (22, 24) des Drehlagers eine integrierte Baueinheit bilden.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor des Direktantriebsmotors mit dem drehenden Element (36) eines Gewindespindeltriebes (38) eine integrierte Baueinheit bildet, und dass die Gewindespindel (40) mit dem jeweils zugeordneten Rotorblatt (30, 32) gekoppelt ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor des Direktantriebsmotors mit der Spindelmutter (36) des Gewindespindeltriebs (38) eine integrierte Baueinheit bildet, und dass die Gewindespindel (40) mit dem jeweils zugeordneten Rotorblatt (30, 32) gekoppelt ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantriebsmotor ein Antriebsritzel (54, 56) antreibt, welches mit einem am zugeordneten Rotorblatt (46, 48) angeordneten, zur Drehachse (68) des Rotorblattes (46, 48) konzentrischen Innen- oder Außenzahnkranz (58, 60) im Eingriff ist.