DE102009004070A1

DE102009004070A1 - Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102009004070A1
Application number: DE102009004070A
Authority: DE
Inventors: Sönke Siegfriedsen
Original assignee: Aerodyn Engineering GmbH
Current assignee: Aerodyn Engineering GmbH
Priority date: 2009-01-02
Filing date: 2009-01-02
Publication date: 2010-07-08
Also published as: US20110248501A1; WO2010075833A2; WO2010075833A3; CN102301131A; EP2373886A2; US8704391B2; CN102301131B

Abstract

Verfahren zum Verbringen eines Zweiblattrotors einer Windenergieanlage in eine Parkstellung, gekennzeichnet durch Ausrichten der Rotorblätter in einer horizontalen Ebene und Bremsen des Rotors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbringen eines Zweiblattrotors einer Windenergieanlage in eine Parkstellung.
Das Überführen von Windenergieanlagen aus einer Betriebsstellung in eine Parkstellung wird immer dann notwendig, wenn Witterungseinflüsse, insbesondere hohe Windlasten auftreten, die die Windenergieanlagen aufgrund der teilweise nur kurzfristig auf die Windenergieanlagen wirkenden immensen Kräfte beschädigen können. So sind Windenergieanlagen insbesondere in Gebieten mit hohem Extremwindaufkommen, speziell saisonal auftretenden Winden und Wirbelstürmen, wie etwa Hurrikane oder Taifune, die auch hohe Turbulenzen aufweisen, gefährdet.
Insbesondere sind Dreiblattrotoren aufgrund der geometrischen Anordnung der Blätter besonders von Queranströmungen betroffen, die zu extrem hohen Lasten und letztendlich zur Zerstörung der Anlage führen können. Eine diesen Kräften standhaltende Dimensionierung der Windenergieanlagenbauteile erscheint für diese Fälle nicht möglich.
Um dennoch auch in diesen Gebieten Windenergieanlagen installieren und deren Energiegewinnungspotenzial ausnutzen zu können, wurden bereits mehrere Mechanismen entwickelt, um die Windenergieanlagen vor Beschädigung durch die vorgenannten Stürme zu schützen.
So wurde in der EP 0 709 571 A2 eine Windenergieanlage mit einem Zweiblattrotor vorgestellt, die über Rotorblätter mit frei gegeneinander verdrehbaren Rotorblattabschnitten verfügt, sodass einerseits der gesamte Rotor parallel zur Windrichtung ausgerichtet oder bei einer frontalen Anströmung zumindest die auf den Rotor wirkende Belastung herabgesetzt werden kann.
Nachteilig an dieser Ausbildung ist jedoch der sehr aufwändige Blattaufbau, der kompliziert und auch für hohe Windlasten anfällig ist.
Im Gegensatz dazu verzichtet die DE 101 41 098 A1 gänzlich auf ein Bremsen und eine Arretierung des Rotors. Vielmehr soll der Rotor dort ungebremst und nicht arretiert in einer Drehstellung dadurch stabilisiert werden, dass das turbulenzbedingte Auswandern des Rotors aus der Parkposition durch Einstellen der Rotorblätter in eine der Drehbewegung entgegenwirkende Position verhindert wird. Die Steuerung soll derart ein „Trudeln” des Rotors ohne Verlassen der Parkposition bewirken.
Es erscheint jedoch zweifelhaft, dass die in der DE 101 41 098 A1 ohne weitere Details vorgestellte Steuerung dermaßen schnell auf Turbulenzen reagieren kann, dass die diese Steuerung einbeziehende Windenergieanlage Beschädigungen durch hohe Windlasten vermeiden kann. Vielmehr muss damit gerechnet werden, dass die sich während des Auftretens der hohen Windlasten bewegenden Komponenten der Windenergieanlage weitere variable Momente erzeugen, die bei der Auslegung und Dimensionierung der Komponenten zu berücksichtigen wären. Aufgrund der nicht vorbestimmbaren Parameter ist die Konstruktion derartiger Windenergieanlagen jedoch kaum berechenbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bei einer Windenergieanlage mit gebremstem und arretiertem Rotor auftretenden Lasten derart zu reduzieren, dass diese auch turbulenten Strömungen hinreichend standhalten können.
Dabei muss auch berücksichtigt werden, dass das Stromnetz bei den vorgenannten Extremwetterlagen abgeschaltet wird und die Windenergieanlagen auf passive Mechanismen angewiesen sind, die ohne zusätzliche Energiezufuhr auskommen müssen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Grundgedanke der Erfindung ist es, den Zweiblattrotor einer Windenergieanlage durch Bremsen in eine Parkstellung zu bringen, in der die Rotorblätter horizontal ausgerichtet sind. Bevorzugt wird der Rotor mittels Arretiermitteln formschlüssig arretiert, wobei die die Arretiermittel besonders bevorzugt als in Arretieraufnahmen eingreifende hydraulisch angetriebene Arretierbolzen ausgebildet. Besonders bevorzugt werden die Blätter auch derart zueinander in ihrem Pitchwinkel zur Langsachse ausgerichtet, dass unter Berücksichtigung der Neigung der Rotorachse und der aerodynamischen Eigenschaften der Blätter an der Rotorachse ein Minimum an Drehmoment und nach Möglichkeit ein Minimum an auf die Blattwurzeln wirkenden Belastungen auftritt. Im zeitlichen Mittel soll vorzugsweise als Lastmittelwert nur die Eigengewichtsmomente an den Blattflanschen vorliegen.
Ganz besonders bevorzugt sollen die die Blätter derart zueinander in ihrem Pitchwinkel zur Langsachse ausgerichtet werden, dass Blattauftriebskräfte erzeugt werden, die (im zeitlichen Mittel) die Eigengewichtskraft der Blätter kompensieren. Diese Auftriebskräfte sollen bevorzugt auch dem durch die Neigung der Rotorachse erzeugten Nickmoment entgegenwirken.
Insbesondere ist eine Steuerung vorgesehen, die über ein Druckregelventil den Bremsdruck der Rotorbremse derart steuert, dass durch die Winkel- und/oder Positionserfassung des Rotors die Drehgeschwindigkeit des Rotors derart abgebremst wird, dass der Rotor in der horizontalen Parkstellung zu Stehen kommt. Darauf kommt eine Prüfvorrichtung zum Einsatz, die die Genauigkeit der angefahrenen Position überprüft. Bei einer Position, bei der die Arretiermittel nicht in ihre mit diesen zusammenwirkenden Aufnahmen eingreifen können, gibt die Steuerung den Rotor wieder frei, woraufhin sich der Rotor wieder drehen kann und ein neuer Brems- und Prüfvorgang ausgelöst wird. Stimmt die angefahrene Position mit den vorgegebenen Toleranzen hingegen überein, werden bevorzugt Arretierbolzen in Arretieraufnahmen eingefahren, die den Rotor durch Formschluss in seiner horizontalen Position festsetzen.
Erfindungsgemäß wird der Rotor der Zweiblattrotor-Windenergieanlage durch geregelte Zielbremsung in ein horizontale Parkstellung verbracht, gebremst und bevorzugt durch Einschieben von hydraulisch betriebenen Bolzen in dafür am Rotor vorgesehene Aufnahmen arretiert. Darauf werden die Rotorblätter jeweils in eine von der Achsneigung der Rotorachse der Windenergieanlage und den aerodynamischen Eigenschaften des Blattes bei Ansströmung von unten und von oben abhängige Stellung gebracht, in der diese bevorzugt dauerhaft verweilen. Dabei sind die Blattwinkel der beiden Blätter aufgrund ihrer üblicherweise asymmetrischen Bauform in Bezug auf die Profilsehne des Blatts unterschiedlich.
Ist die Windenergieanlage als Lee-Läufer ausgebildet und in horizontaler Position gebremst ist, sowie die Yaw-Bremse(n) gelöst und die Yaw-Motoren entkoppelt, d. h. die Abtriebsverzahnung des Yaw-Motors zur Vermeidung von Überdrehzahlen nicht mehr im Eingriff mit dem am Turm angeordneten Verzahnungshohlrad, kann eine selbständige Nachführung des Rotors bei Windrichtungsänderung erfolgen. Damit wird sichergestellt, dass die Blätter nicht von der Seite angeströmt werden und sich nur geringe Auftriebskräfte entwickeln können.
Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage ist, dass auf sich bewegende Teile zur Regulierung der Parkstellung und damit auf während der Parkposition benötigte Anlagen zur Erzeugung von Hilfsenergie verzichtet werden kann. Gleichzeitig unterliegt die Windenergieanlage nach der Erfindung gegenüber herkömmlichen Anlagen weniger Verschleiß und weist gegenüber diesen auch eine höhere Stabilität und Sicherheit auf.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittzeichnung eines aerodynamischen Profils eines Rotorblatts einer Windenergieanlage;
2 ein Diagramm, das die Auftriebsbeiwerte (C_L) über dem Anstellwinkel eines Profils darstellt;
3 eine schematische, in verschiedenen Ebenen des Blatts geschnittene Darstellung eines Rotorblatts;
4 ein zweites Diagramm zur Veranschaulichung des an der Rotorachse wirkenden Drehmoments eines Rotorblatts in Abhängigkeit von dem Blatteinstellwinkel;
5a eine perspektivische Ansicht einer Windenergieanlage nach der Erfindung mit in der Parkstellung gebremstem und arretiertem Rotor zur Veranschaulichung der geometrischen Verhältnisse und Achsen;
5b eine Frontalansicht auf die Windenergieanlage aus 5a;
6a eine Seitenansicht einer Windenergieanlage mit einem Zweiblattrotor;
6b einen Profilschnitt des einen Blatts der Windenergieanlage bei ca. halber Blattlänge;
6c einen Profilschnitt des anderen Blatts der Windenergieanlage bei ca. halber Blattlänge;
7a die Stellung des einen Blatts der Windenergieanlage aus 6 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
7b die Stellung des anderen Blatts der Windenergieanlage aus 6 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
8a ein Diagramm, das für einen Zweiblattrotor einer konventionellen Windenergieanlage die Belastung der Rotorachse mit dem Drehmoment M_ZR über die Zeit darstellt;
8b ein Diagramm, das bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Belastung der Rotorachse eines Zweiblattrotors mit dem Drehmoment M_ZR über die Zeit darstellt.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines aerodynamischen Profils 10. Das Rotorblattprofil 10 ist in Bezug auf seine Profilsehne asymmetrisch aufgebaut – deutlich ist zu erkennen, dass die Oberseite 12 des Profils 10 anders geformt ist als dessen Unterseite 14. Der Winkel α bezeichnet hier den Winkel zwischen der Anströmung und der Profilsehne, wobei die Profilsehne die gerade Verbindungslinie zwischen dem Nasenpunkt und der Endkante des Profils ist.
2 zeigt, dass ein unterschiedlicher Anströmungswinkel α bei unsymmetrisch geformten Profilen zu unterschiedlichen Profilauftriebsbeiwerten C_L führt. Im gezeigten Beispiel führt ein Winkel α von –4° beispielsweise zu einer um mehr als die Hälfte niedrigeren Auftriebskraft als ein Anströmungswinkel α von +4°.
3 zeigt schematisch die sich entlang der Achse eines Rotorblatts ausbildenden unterschiedlichen Profile, wobei die Profile an der Blattspitze dünner als an der Blattwurzel ausgebildet und die Profile gegeneinander verwunden sind.
4 zeigt ein zweites Diagramm zur Veranschaulichung des an der Rotorachse wirkenden Drehmoments M_ZR in Abhängigkeit von dem Blatteinstellwinkel β, also dem Winkel zwischen der optimalen Produktionsposition und der Rotorebene (die als 0° definiert wird), bei konstanter Anströmung.
5a und 5b zeigen eine Windenergieanlage nach der Erfindung mit in der erfindungsgemäßen Parkstellung gebremstem und arretiertem Rotor. Die Windenergieanlage 100 ist mit einem Zweiblatt-Rotor 20 ausgestattet. Deutlich ist zu erkennen, dass der Rotor 20 in eine horizontale Position gebracht ist.
Zur besseren Verständlichkeit der Beschreibung ist die Windenergieanlage 100 in einem Koordinatensystem mit ein x-, y- und z-Achse eingezeichnet. Der R-Punkt bezeichnet den Schnittpunkt von y- und z-Achse und der T-Punkt bezeichnet den Schnittpunkt von x- und z-Achse.
5b zeigt die Windenergieanlage aus 5a in einer Frontalansicht, wobei – wie im Folgenden zu 7 beschrieben wird – die Blattstellung von linkem Rotorblatt 30 und rechtem Rotorblatt 40 voneinander unterschiedlich ist.
Die in 6 dargestellte schematische Seitenansicht der Windenergieanlage 100 aus 5 verdeutlicht die Blattwinkelstellung von linkem Rotorblatt 30 und rechtem Rotorblatt 40 bei herkömmlich betriebenen Anlagen. Dabei bezeichnet z die Rotorachse, der Winkel γ die Neigung der Rotorachse zur Horizontalen und β den Blattwinkel zur vertikal auf der Rotorachse stehenden Rotorebene α.
6b zeigt einen Schnitt durch das linke Blatt 30 bei einem Einstellwinkel von β = 90°. 6c zeigt einen Schnitt durch das rechte Blatt 40 bei einem Einstellwinkel von ebenfalls β = 90°. Dabei ist zu erkennen, dass sich bei einer Anströmung von der in der Zeichenebene linken Seite unterschiedliche Auftriebsbeiwerte einstellen werden, was wiederum zu einer Drehmomentbelastung der Welle führt.
7 zeigt nun die Einstellung der beiden Rotorblätter bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die beiden Blätter 30 und 40 sind so zueinander gestellt, dass an der Rotorachse ein Minimum an Drehmoment und an den Rotorblattflanschen ein Minimum an Belastung durch die Rotorblätter vorliegt. Daher beträgt der Blatteinstellwinkel für das in 7b gezeigte Blatt 30 also beispielsweise zwischen 92° und 95°, wobei gleichzeitig der Blatteinstellwinkel für das andere Blatt 40 aus 7c zwischen 88° bis 85° liegt.
Durch die sich aus den unterschiedlichen Blatteinstellwinkeln ergebenden unterschiedlichen Anströmungswinkeln kommt es zu einer Angleichung der Auftriebsbeiwerte und damit zu einer Verminderung des Rotordrehmoments.
8 zeigt schließlich deutlich die durch das erfindungsgemäße Verfahren verbesserte Lastverteilung an der Rotorachse anhand von Grafiken, die die Belastung der Rotorachse (das Drehmoment M_ZR) eines Zweiblattrotors über der Zeit darstellen.
8a zeigt, dass bei einem konventionell betriebenen Zweiblattrotor mit β = 90° für beide Blätter über die Zeit Spitzenlasten auftreten können, die zu Beschädigungen der Windenergieanlage führen können.
In 8b ist hingegen zu erkennen, dass sowohl die mittlere Belastung als auch die Spitzenlasten durch die erfindungsgemäße Steuerung der Blattwinkel der beiden Rotorblätter herabgesetzt werden können (im gezeigten Beispiel ist β = 95° für das eine Blatt und β = 85° für das andere Blatt). Dadurch werden die Bauteile der Anlage geschont.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0709571 A2 [0005]
- DE 10141098 A1 [0007, 0008]

Claims

Verfahren zum Verbringen eines Zweiblattrotors einer Windenergieanlage in eine Parkstellung, gekennzeichnet durch Ausrichten der Rotorblätter in einer horizontalen Ebene und Bremsen des Rotors.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter durch geregeltes Bremsen des Rotors positionsgenau in die horizontale Parkstellung gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor bei horizontal ausgerichteten Rotorblättern mit Arretiermitteln formschlüssig arretiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiermittel als in Arretieraufnahmen eingreifende hydraulisch angetriebene Arretierbolzen ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: – Einstellen eines ersten Anstellwinkels für das eine Rotorblatt zum Einstellen einer auf das erste Blatt wirkenden aerodynamischen ersten Kraft und – Einstellen eines zweiten Anstellwinkels für das andere Rotorblatt zum Einstellen einer auf das zweite Rotorblatt wirkenden aerodynamischen zweiten Kraft, sodass sich die aus der ersten und der zweiten Kraft an der Rotorachse ergebenden Drehmomente im zeitlichen Mittel gegeneinander aufheben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellwinkels des einen Rotorblatts zur Rotorebene und der Einstellwinkels des anderen Rotorblatts zur Rotorebene verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellwinkel des einen Rotorblatts und der Einstellwinkel des anderen Rotorblatts in Abhängigkeit von der Neigung der Rotorachse und den aerodynamischen Eigenschaften der Rotorblätter gewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Blattauftriebskräfte erzeugt werden, die die Eigengewichtskräfte der Blätter im zeitlichen Mittel kompensieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Blattauftriebskräfte erzeugt werden, die dem aufgrund des Eigengewichts der Blätter um die y-Achse erzeugten Nickmoment entgegenwirken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage ein Lee-Läufer ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Yaw-Motor und Yaw-Bremse freigegeben werden.