DE202012102872U1

DE202012102872U1 - Energiegewinnungsanlage

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Publication number: DE202012102872U1
Application number: DE202012102872U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: AT511720A4; AT511720B1

Abstract

Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator (8) und mit einem Differentialgetriebe (4; 11 bis 13) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator (8) und ein zweiter Antrieb mit einem Differential-Antrieb (6) verbunden ist und wobei das Differentialgetriebe (4; 11 bis 13) ein Planetengetriebe ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Differential-Antriebe (6) vorgesehen sind, die mit dem zweiten Antrieb verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator und mit einem Differentialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator und ein zweiter Antrieb mit einem Differential-Antrieb verbunden ist und wobei das Differentialgetriebe ein Planetengetriebe ist.
Windkraftwerke gewinnen zunehmend an Bedeutung als Elektrizitätserzeugungsanlagen. Dadurch erhöht sich kontinuierlich der prozentuale Anteil der Stromerzeugung durch Wind. Dies wiederum bedingt einerseits neue Standards bezüglich Stromqualität und andererseits einen Trend zu noch größeren Windkraftanlagen. Gleichzeitig werden zunehmend mehr Off-shore-Windparks errichtet, welche Anlagengrößen von zumindest 5MW installierter Leistung fordert. Durch die hohen Kosten für Infrastruktur und Wartung bzw. Instandhaltung der Windkraftanlagen im Offshore-Bereich gewinnt hier die Verfügbarkeit der Anlagen eine besondere Bedeutung.
Allen Anlagen gemeinsam ist die Notwendigkeit einer variablen Rotordrehzahl, einerseits zur Erhöhung des aerodynamischen Wirkungsgrades im Teillastbereich und andererseits zur Regelung des Drehmomentes im Antriebsstrang der Windkraftanlage. Letzteres zum Zweck der Drehzahlregelung des Rotors in Kombination mit der Rotorblattverstellung. Derzeit sind daher Windkraftanlagen im Einsatz, welche diese Forderung durch Einsatz von drehzahlvariablen Generator-Lösungen zunehmend in der Form von sogenannten permanentmagneterregten Niederspannungs-Synchrongeneratoren in Kombination mit IGBT-Frequenzumrichtern erfüllen. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass (a) die Windkraftanlagen nur mittels Transformatoren an das Mittelspannungsnetz anschließbar sind und (b) die für die variable Drehzahl notwendigen Frequenzumrichter entsprechend leistungsstark und daher eine Quelle für ungewollte Ausfälle und Wirkungsgradverluste sind. Alternativ werden daher in letzter Zeit auch sogenannte Differenzialantriebe eingesetzt, welche direkt an das Mittelspannungsnetz angeschlossene fremderregte Mittelspannungs-Synchrongeneratoren in Kombination mit einem Differenzialgetriebe und einem Hilfsantrieb, welcher vorzugsweise eine permanentmagneterregte Synchronmaschine in Kombination mit einem IGBT-Frequenzumrichter kleiner Leistung vorsieht, verwenden.
Die AT 507 395 A zeigt ein Differenzialsystem der eingangs genannte Art mit einem elektrischen Servoantrieb mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine in Kombination mit einem IGBT-Frequenzumrichter.
Durch die besonders exponierte Lage von z.B. Off-shore-Anlagen ist eine hohe Systemverfügbarkeit von besonderer Wichtigkeit. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde entsprechende Vorkehrungen zu treffen, damit auch bei Ausfall eines Differenzial-Antriebes die Anlage weiter in Betrieb bleiben kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Bei der Erfindung kann die Energiegewinnungsanlage bei Ausfall eines Differenzial-Antriebs und/oder eines Frequenzumrichters mit zumindest der halben Nennleistung der Anlage weiter betrieben werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben.
Es zeigt:
1 das Prinzip eines Differenzialgetriebes mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb gemäß Stand der Technik,
2 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines redundanten Aufbaus eines elektrischen Differenzial-Antriebes und
3 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines redundanten Differenzial-Antriebs.
Die Leistung des Rotors einer Windkraftanlage errechnet sich aus der Formel Rotor-Leistung = Rotorfläche·Leistungsbeiwert·Luftdichte/2·Windgeschwindigkeit³, wobei der Leistungsbeiwert abhängig von der Schnelllaufzahl (= Verhältnis Blattspitzen-Geschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit) des Rotors der Windkraftanlage ist. Der Rotor einer Windkraftanlage ist für einen optimalen Leistungsbeiwert basierend auf einer im Zuge der Entwicklung festzulegenden Schnelllaufzahl (meist ein Wert zw. 7 und 9) ausgelegt. Aus diesem Grund ist beim Betrieb der Windkraftanlage im Teillastbereich eine entsprechend kleine Drehzahl einzustellen, um einen optimalen aerodynamischen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
1 zeigt ein mögliches Prinzip eines Differenzialsystems für eine Windkraftanlage mit einer Differenzialstufe 4 bzw. 11 bis 13, einer Anpassungs-Getriebestufe 5 und einem elektrischen Differenzial-Antrieb 6. Ein Rotor 1 der Windkraftanlage, der auf einer Antriebswelle 2 für ein Hauptgetriebe 3 sitzt, treibt das Hauptgetriebe 3 an. Das Hauptgetriebe 3 ist ein 3-stufiges Getriebe mit zwei Planetenstufen und einer Stirnradstufe. Zwischen dem Hauptgetriebe 3 und einem Generator 8 befindet sich eine Differenzialstufe 4, welche vom Hauptgetriebe 3 über einen Planetenträger 12 der Differenzialstufe 4 angetrieben wird. Ein Generator 8, vorzugsweise ein fremderregter Mittelspannungs-Synchrongenerator, ist mit einem Hohlrad 13 der Differenzialstufe 4 verbunden und wird von diesem angetrieben. Ein Ritzel 11 der Differenzialstufe 4 ist mit einem Differenzial-Antrieb 6 verbunden. Die Drehzahl des Differenzial-Antriebes 6 wird geregelt, um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 1 eine konstante Drehzahl des Generators 8 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im Triebstrang der Windkraftanlage zu regeln.
Um die Eingangsdrehzahl für den Differenzial-Antrieb 6 zu erhöhen wird im gezeigten Fall ein mehrstufiges Differenzialgetriebe gewählt, welches eine Anpassungs-Getriebestufe 5, z.B. in Form einer Stirnradstufe, zwischen der Differenzialstufe 4 und dem Differenzial-Antrieb 6 vorsieht. Da im Bereich des Differenzial-Antriebes 6 auch eine massive Kupplung 14 als Verbindungselement zwischen dem Hauptgetriebe 3 und der Differenzialstufe 6 liegt, ist ein entsprechend großer Achsversatz für den Differenzial-Antrieb 6 erforderlich. Dies kann für die Anpassungsgetriebestufe 5 z.B. durch große Zahnraddurchmesser oder eine mehrstufige Ausführung dieser Anpassungsgetriebestufe 5 realisiert werden.
Der Differenzial-Antrieb 6 ist bevorzugt eine Drehstrommaschine, insbesondere eine permanentmagneterregte Synchron-Drehstrommaschine, welche über einen Frequenzumrichter 7 und einen Transformator 9 ans Netz angeschlossen wird. Alternativ kann der Differenzial-Antrieb auch als z.B. hydrostatische Pumpen/Motor-Kombination ausgeführt werden. In diesem Fall ist die zweite Pumpe vorzugsweise über eine weitere Anpassungs-Getriebestufe mit der Antriebswelle des Generators 8 verbunden.
Die Drehzahlgleichung für das Differenzialgetriebe lautet: Drehzahl_Generator = x·Drehzahl_Rotor + y·Drehzahl_{Differenzial-Antrieb}, wobei die Generatordrehzahl konstant ist, und sich die Faktoren x und y aus den gewählten Getriebeübersetzungen von Hauptgetriebe und Differenzialgetriebe ableiten lassen. Das Drehmoment am Rotor wird durch das anstehende Windangebot und den aerodynamischen Wirkungsgrad des Rotors bestimmt. Das Verhältnis zwischen dem Drehmoment an der Rotorwelle und dem am Differenzial-Antrieb ist konstant, wodurch sich das Drehmoment im Triebstrang durch den Differenzial-Antrieb regeln lässt. Die Drehmomentgleichung für den Differenzial-Antrieb lautet: Drehmoment_{Differenzial-Antrieb} = Drehmoment_Rotor·y/x, wobei der Größenfaktor y/x ein Maß für das notwendige Auslegungs-Drehmoment des Differenzial-Antriebes ist. Die Leistung des Differenzial-Antriebes ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Rotordrehzahl von dessen Grunddrehzahl mal Rotor-Leistung. Dementsprechend erfordert ein großer Drehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzial-Antriebes. Das heißt, je kleiner der notwendige Drehzahlbereich an der Antriebswelle ist, desto kleiner kann der erforderliche Differenzial-Antrieb und demzufolge auch der Aufwand für dessen Herstellung und Betrieb sein. Strömungsmaschinen jeglicher Art wie z.B. Windkraftanlagen, Wasserturbinen bzw. Pumpen, Anlagen zur Gewinnung von Energie aus Meeresströmungen, bzw. jede Art von Industrieanlagen, welche mit eingeschränktem Drehzahlbereich arbeiten, sind daher die idealen Einsatzgebiete für Differenzialsysteme.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Erweiterung des beispielhaft mit Bezug auf 1 beschriebenen Systems. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße, redundante System auch bei anderen Ausführungsformen von Energiegewinnungsanlagen verwendet werden kann. Das Ritzel 11 treibt in dieser Ausführungsform zwei vorzugsweise baugleiche Anpassungsgetriebestufen 5 bzw. Differenzial-Antriebe 6 an. Die Differenzial-Antriebe 6 werden von jeweils einem Frequenzumrichter 7 angesteuert. Alternativ könnte man beide Differenzial-Antriebe 6 mit einem gemeinsamen Frequenzumrichter 7 (wie in 3 dargestellt) ansteuern, womit jedoch nur noch der Differenzial-Antrieb 6 redundant vorhanden wäre.
Auch der Transformator 9 könnte redundant angeordnet sein. Durch die in 2 gezeigte redundante Ausführung des Differenzial-Antriebes 6 bzw. Frequenzumrichters 7 ist bei Ausfall einer dieser Komponenten noch immer zumindest 50% des Nenn-Drehmomentes verfügbar, welches kurzzeitig entsprechend der thermischen Auslegung auch überschritten werden darf. Hierbei hilft zusätzlich auch eine allfällige Reduktion der IGBT-Taktfrequenz.
Da z.B. Windkraftanlagen über große Zeitabschnitte im Teillastbereich betrieben werden, gibt es einen Energieertragsverlust nur im Betriebsbereich mit mehr als 50% des Nenn-Drehmomentes. Hier kann man Anpassungen vornehmen um teilweise mit erhöhter Betriebsdrehzahl bei in diesem Fall auf 50% eingeschränktem Drehmoment vorübergehend eine höhere Abgabeleistung zu erzielen. Bei einer mittleren Jahreswindgeschwindigkeit in Nabenhöhe von 7,5m/s mit Rayleigh-Verteilung (dies deckt einen Großteil der weltweit kommerziell verwertbaren Windgebiete ab) ist dabei statistisch der Energieertragsverlust nur etwa 30% des bei voll funktionstüchtiger Anla- ge erzielbaren Energieertrags.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit redundanten Differenzial-Antrieben 6. In dieser alternativen Ausführungsform verbindet eine durch eine Hohlwelle des Generators 8 geführte Welle 15 das Ritzel 11 mit zwei Anpassungsgetriebestufen 5 und in weiterer Folge zwei Differenzial-Antrieben 6. Die sich dadurch ergebenden Vorteile sind, dass (a) die Planetenstufe 4 einfacher und kostengünstiger herstellbar ist und (b) kein großer Achsabstand durch die Anpassungsgetriebestufen 5 zu überbrücken ist, da die Eingangskupplung 14 nicht zwischen den Differenzial-Antrieben 6 liegt.
Um bei geringerem Leistungsangebot, z.B. bei einer Windkraftanlage geringere Windgeschwindigkeiten, eine optimale Kennlinie für den Rotor 1 realisieren zu können, ist es bei der Erfindung generell möglich, einen oder beide Differential-Antriebe 6 polschaltbar und/oder eine oder beide Anpassungsgetriebestufen 5 als Verstellgetriebe, wie z.B. in der WO 2008/061263 A beschrieben, auszuführen. In diesem Fall könnte beispielsweise ein Differential-Antrieb 6 abgeschaltet und der zweite Differential-Antrieb 6 weiter in einem günstigen Drehzahlbereich betrieben werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 507395 A [0004]
WO 2008/061263 A [0023]

Claims

Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator (8) und mit einem Differentialgetriebe (4; 11 bis 13) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator (8) und ein zweiter Antrieb mit einem Differential-Antrieb (6) verbunden ist und wobei das Differentialgetriebe (4; 11 bis 13) ein Planetengetriebe ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Differential-Antriebe (6) vorgesehen sind, die mit dem zweiten Antrieb verbunden sind.
Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differential-Antriebe (6) elektrische Maschinen sind, die über einen Frequenzumrichter (7) und gegebenenfalls einen Trafo (9) mit einem Netz verbunden sind.
Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differential-Antriebe (6) über einen gemeinsamen Frequenzumrichter (7) und gegebenenfalls einen Trafo (9) mit einem Netz verbunden sind.
Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Differential-Antrieb (6) über einen eigenen Frequenzumrichter (7) und gegebenenfalls einen Transformator(9) mit einem Netz verbunden ist.
Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Differential-Antriebe (6) mit einem Sonnenrad (11) des Differentialgetriebes (4; 11 bis 13) verbunden sind und auf der vom Differentialgetriebe (4; 11 bis 13) abgewandten Seite des Generators (8) angeordnet sind.
Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differential-Antriebe (6) über Anpassungsgetriebestufen (5) mit dem Differentialgetriebe (4; 11 bis 13) verbunden sind.
Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anpassungsgetriebestufe (5) ein Verstellgetriebe ist.
Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Differential-Antrieb (6) eine polumschaltbare elektrische Maschine ist.
Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Differential-Antriebe (6) hydraulische Antriebe sind.
Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle die Rotorwelle einer Windkraftanlage ist.