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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Derartige Windkraftanlagen sind allgemein bekannt und dienen dazu, die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umzuwandeln und diese in ein Stromnetz einzuspeichern.
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Naturgemäß hängt die elektrische Energie, die mittels einer entsprechenden Windkraftanlage erzeugt werden kann, von der kinetischen Energie des Windes und damit von der Windgeschwindigkeit ab.
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Nachteilig bei den bekannten Windkraftanlagen ist, daß die Einspeisung von elektrischer Energie in das Stromnetz erheblichen Einschränkungen unterworfen ist. Zu nennen ist in diesem Zusammenhang insbesondere der sogenannte ”Stromüberlauf”, bei dem es im Stromnetz dadurch zu einer Spannungsüberhöhung kommt, daß die abgenommene Leistung geringer ist als die eingespeiste. Bei modernen Windkraftanlagen wird dies dadurch verhindert, daß die Einspeiseleistung verringert wird. Dies bedeutet, daß im Ergebnis nur ein Teil der durch Umwandlung der Windenergie gewonnenen elektrischen Energie in das Stromnetz eingespeist und damit genutzt werden kann. Dies ist im Sinne einer möglichst hohen Energieeffizienz nachteilig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage anzugeben, die hinsichtlich der Energieeffizienz verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre gelöst.
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Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lehre besteht darin, mittels einer Speichermöglichkeit dafür zu sorgen, daß Energie, die im Falle eines ”Stromüberlaufes” nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann, gespeichert wird. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist eine Windkraftkonverteranordnung an, wobei in einem Normal-Betriebsmodus von der Windkraftkonverteranordnung gelieferte elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist wird. In dem Normal-Betriebsmodus kann somit die gesamte elektrische Energie, die von der Windkraftkonverteranordnung geliefert wird, in das Stromnetz eingespeist werden. Anzahl, Größe und Ausgestaltung der Windkraftkonverter der Windkraftkonverteranordnung sind innerhalb weiter Grenzen wählbar.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage kann ferner in einem Überlauf-Betriebsmodus betrieben werden. In diesem Überlauf-Betriebsmodus wird mittels einer elektrisch betriebenen Pumpenanordnung eine Speicherflüssigkeit aus wenigstens einem tiefer gelegenen ersten Speicherbehälter in wenigstens einen höher gelegenen zweiten Speicherbehälter gepumpt, wobei die Pumpenanordnung mittels elektrischer Energie gespeist wird, die die Windkraftkonverteranordnung in dem Überlauf-Betriebsmodus liefert. Sofern und soweit von der Windkraftkonverteranordnung gelieferte elektrische Energie nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann, wird diese Energie wenigstens teilweise, vorzugsweise im wesentlichen vollständig dazu genutzt, die Pumpenanordnung zu betreiben, um die Speicherflüssigkeit in den höher gelegenen zweiten Speicherbehälter zu pumpen. Die elektrische Energie, die nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann und insofern überschüssig ist, wird also erfindungsgemäß in potentielle Energie umgewandelt.
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Die in dem zweiten Speicherbehälter mittels der Speicherflüssigkeit gespeicherte potentielle Energie wird in einem Speicher-Betriebsmodus beim Ablassen der Speicherflüssigkeit aus dem zweiten Speicherbehälter in den ersten Speicherbehälter in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist. Hierzu ist dem zweiten Speicherbehälter eine Generatoranordnung zur Umwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie zugeordnet. Die Art und Weise, wie mittels einer entsprechenden Generatoranordnung in einer Speicherflüssigkeit gespeicherte potentielle Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
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Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist damit im Ergebnis eine erhöhte Energieeffizienz auf. Diejenige elektrische Energie, die nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann, wird somit erfindungsgemäß vorübergehend in potentielle Energie umgewandelt. Im Bedarfsfalle, also bei geringen Windgeschwindigkeiten, kann die so gespeicherte Energie wiederum in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist werden.
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Damit ist die Kontinuität der Einspeisung elektrischer Energie in das Stromnetz gegenüber bekannten Windkraftanlagen erhöht. Dies ermöglicht es beispielsweise, von der Windkraftanlage erzeugte elektrische Energie in das Bahnstromnetz einzuspeisen.
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Selbstverständlich kann die erzeugte elektrische Energie auch in anderer Weise verwendet werden, beispielsweise zur Versorgung von Fabrikanlagen oder Ortschaften.
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Eine Doppelwandigkeit der die Speicherflüssigkeit führenden oder haltenden Bestandteile bewirkt ferner eine Wärmeisolierung, so daß beispielsweise der Schutz vor Frost verbessert ist.
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Form, Größe und Anzahl der Windkraftkonverter der erfindungsgemäß vorgesehenen Windkraftkonverteranordnung sind innerhalb weiter Grenzen wählbar.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Pumpenanordnung kann entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten eine beliebige Anzahl von Pumpen aufweisen. Gleichermaßen ist die Anzahl der erfindungsgemäß vorgesehenen ersten und zweiten Speicherbehälter innerhalb weiter Grenzen wählbar. Form und Größe der Speicherbehälter sind ebenfalls entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar. Die erfindungsgemäß in Bezug auf die Speicherbehälter verwendeten Begriffe ”tiefer gelegen” und ”höher gelegen” werden erfindungsgemäß so verstanden, daß der zweite Speicherbehälter relativ zu dem ersten Speicherbehälter so angeordnet ist, daß sich die potentielle Energie der Speicherflüssigkeit beim Umpumpen aus dem ersten Speicherbehälter in den zweiten Speicherbehälter erhöht.
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Ferner kann die erfindungsgemäß verwendete Generatoranordnung eine entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählte Anzahl von Generatoren aufweisen, deren Ausgestaltung ebenfalls entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine Steuerungsanordnung zur Ansteuerung der Bestandteile der Windkraftanlage derart vor, daß die Windkraftanlage in Abhängigkeit von der verfügbaren Windenergie zwischen dem Normal-Betriebsmodus, dem Überlauf-Betriebsmodus und dem Speicher-Betriebsmodus umschaltbar ist. Eine Steuerungsanordnung kann erfindungsgemäß eine Steuerungs- und/oder eine Regelungsfunktion haben.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, daß die Pumpenanordnungen wenigstens eine elektrisch betriebene Pumpe und/oder die Generatoranordnung wenigstens einen Generator aufweist.
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Als Speicherflüssigkeit kann erfindungsgemäß eine beliebige geeignete Flüssigkeit verwendet werden. Um einen Betrieb der erfindungsgemäßen Windkraftanlage auch bei Frost zu gewährleisten und gleichzeitig möglichst weitgehend eine externe Beheizung zu vermeiden, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Speicherflüssigkeit ein Frostschutzmittel ist oder enthält. Anstelle eines Frostschutzmittels können erfindungsgemäß auch andere Flüssigkeiten mit einem niedrigen Gefrierpunkt verwendet werden, beispielsweise eine Salzlösung. Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen erforderlich, können erfindungsgemäß die die Speicherflüssigkeit führenden oder haltenden Teile der Anlage auch extern beheizt werden, um die Funktionstüchtigkeit der Anlage auch bei Frost zu gewährleisten.
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Bei Verwendung eines Frostschutzmittels oder einer anderen potentiell umweltgefährdenden Flüssigkeit als Speicherflüssigkeit ist es zweckmäßig, daß wenigstens ein Speicherbehälter wenigstens doppelwandig mit einer inneren Wandung und einer äußeren Wandung ausgebildet ist, wie dies eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vorsieht. Aufgrund der Doppelwandigkeit ist die Betriebssicherheit der Anlage erhöht, indem verhindert ist, daß im Falle einer Leckage die Speicherflüssigkeit in die Umwelt gelangt.
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Um die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Anlage weiter zu erhöhen, können auch Leitungen, Armaturen oder dergleichen, die bei Betrieb die Speicherflüssigkeit führen oder halten, doppelwandig ausgebildet sein. Die erfindungsgemäß verwendeten Speicherbehälter können in beliebiger geeigneter Weise, beispielsweise als doppelwandige Tanks, ausgebildet sein.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit dem doppelwandigen Speicherbehälter sieht vor, daß zwischen der inneren Wandung und der äußeren Wandung wenigstens ein Überwachungsraum gebildet ist, dem wenigstens ein Sensor zur Detektion eines Eintritts der Speicherflüssigkeit in den Überwachungsraum zugeordnet ist. Falls der Sensor oder die Sensoren einen Eintritt der Speicherflüssigkeit in den überwachungsraum feststellt, beispielsweise aufgrund einer Leckage der inneren Wandung, kann die Anlage stillgesetzt und/oder ein Warnsignal erzeugt werden.
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Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit dem doppelwandigen Speicherbehälter sieht vor, daß die äußere Wandung durch eine Betonwanne eines ehemaligen Munitionsdepots oder Munitionsbunkers gebildet ist. Derartige Munitionsdepots sind an zahlreichen Stellen zu finden und werden im Zuge einer Verkleinerung der Streitkräfte zunehmend stillgelegt. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung werden die entsprechenden Munitionsdepots einer Nachnutzung zugeführt, so daß eine kostenaufwendige Entsorgung entfällt. Anstelle einer Betonwanne eines Munitionsdepots oder Munitionsbunkers kann die äußere Wandung jedoch auch durch eine beliebige andere, bereits vorhandene Anordnung, beispielsweise einen Teil eines Gebäudes, oder durch eine eigens zum Zwecke der Bildung der äußeren Wandung hergestellte Betonwanne verwendet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage ist im Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 10 bis 14 angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Verwendung einer Betonwanne eines ehemaligen Munitionsdepots oder Munitionsbunkers als Wandung eines wenigstens doppelwandigen Speicherbehälters zur Aufnahme einer Speicherflüssigkeit, insbesondere in einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ist im Anspruch 15 angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten, stark schematisierten, blockschaltbildartigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage dargestellt ist, näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage und
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2 in zu 1 ähnlicher Darstellung eine Variante, bei der eine Mehrzahl von zweiten Speicherbehältern vorgesehen ist.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 2 dargestellt, die eine Windkraftkonverteranordnung 4 aufweist, die in 1 durch einen einzelnen Windkraftkonverter symbolisiert ist.
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In einem Normal-Betriebsmodus der Windkraftanlage 2, die nachfolgend auch kurz als Anlage bezeichnet wird, liefert der Windkraftkonverter 4 durch Umwandlung der Windenergie elektrische Energie, die in ein in 1 symbolisch dargestelltes Stromnetz 6 eingespeist wird. Aufbau und Funktionsweise eines entsprechenden Windkraftkonverters sind allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
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Die erfindungsgemäße Anlage 2 weist ferner eine elektrisch betriebene Pumpenanordnung 8 zum Hochpumpen einer Speicherflüssigkeit aus wenigstens einem tiefer gelegenen ersten Speicherbehälter 10 in wenigstens einen höher gelegenen zweiten Speicherbehälter 12 auf. Die Pumpenanordnung 8 wird mittels elektrischer Energie gespeist, die die Windkraftkonverteranordnung 4 in einem Überlauf-Betriebsmodus liefert. In dem Überlauf-Betriebsmodus kann die elektrische Energie nicht oder nicht vollständig in das Stromnetz 6 eingespeist werden, um eine Spannungsüberhöhung in dem Stromnetz 6 zu vermeiden. Die insoweit überschüssige elektrische Energie wird somit erfindungsgemäß dazu genutzt, die Speicherflüssigkeit aus dem ersten Speicherbehälter in den zweiten Speicherbehälter hochzupumpen. Die insoweit überschüssige elektrische Energie wird somit in potentielle Energie umgewandelt.
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Dem zweiten Speicherbehälter 12 ist eine Generatoranordnung 14 zugeordnet, die dazu dient, potentielle Energie, die durch die Speicherflüssigkeit in dem zweiten Speicherbehälter 12 gespeichert ist, in elektrische Energie umzuwandeln, die in einem Speicher-Betriebsmodus in das Stromnetz 6 eingespeist wird.
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Um einen Betrieb der Windkraftanlage 2 auch bei Frost zu ermöglichen und gleichzeitig eine zusätzliche Beheizung der die Speicherflüssigkeit führenden bzw. haltenden Bestandteile der Anlage 2 zu vermeiden, ist oder enthält bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Speicherflüssigkeit ein Frostschutzmittel.
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Um eine Umweltgefährdung durch die Speicherflüssigkeit zu vermeiden, sind erfindungsgemäß alle die Speicherflüssigkeit führenden oder haltenden Bestandteile der Anlage 2 doppelwandig ausgebildet. Exemplarisch ist dies für den ersten Speicherbehälter dargestellt, der eine innere Wandung 16 und eine äußere Wandung 18 aufweist. Die äußere Wandung 18 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Betonwanne eines ehemaligen Munitionsbunkers bzw. Munitionsdepots gebildet.
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Zwischen der inneren Wandung 16 und der äußeren Wandung 18 ist ein Überwachungsraum 20 gebildet, dem ein Sensor oder mehrere Sensoren zugeordnet sein kann bzw. können, um einen Eintritt der Speicherflüssigkeit in den Überwachungsraum 20 zu detektieren. Falls die Speicherflüssigkeit in den Überwachungsraum 20 eintritt, kann die Anlage 2 stillgesetzt und/oder ein Warnsignal erzeugt werden. In hierzu entsprechender Weise können auch die übrigen doppelwandigen Bestandteile der Anlage 2, die die Speicherflüssigkeit führen oder halten, überwacht werden.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anlage 2 ist wie folgt:
Im Normal-Betriebsmodus wandelt die Windkraftkonverteranordnung 4 Windenergie in elektrische Energie um, die in das Stromnetz 6 eingespeist wird.
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In einem Überlauf-Betriebsmodus der Anlage 2 kann zur Vermeidung eines ”Stromüberlaufes” die von der Windkraftkonverteranordnung 4 gelieferte elektrische Energie nicht oder nicht vollständig in das Stromnetz 6 eingespeist werden. Die insoweit überschüssige elektrische Energie wird dazu verwendet, die Speicherflüssigkeit aus dem ersten Speicherbehälter 10 in den zweiten Speicherbehälter 12 hochzupumpen und dadurch ihre potentielle Energie zu erhöhen. Die die Speicherflüssigkeit führenden oder haltenden Bestandteile der Anlage 2 können unter atmosphärischem Druck oder unter einem Überdruck, beispielsweise von 10 bar, betrieben werden. Die Speicherflüssigkeit kann beim Betrieb der Anlage 2, also beim Hochpumpen aus dem ersten Speicherbehälter 10 in den zweiten Speicherbehälter 12 und beim Ablassen aus dem zweiten Speicherbehälter 12 in den ersten Speicherbehälter 10 in einen geschlossenen Kreislauf geführt werden, wobei die Speicherbehälter 10, 12 insbesondere als geschlossene Tanks ausgebildet sein können. Ein geschlossener Kreislauf bietet einerseits einen Schutz vor Verunreinigung der Speicherflüssigkeit zum anderen ist sowohl eine Wärmeisolierung als auch eine Leckageüberwachung erleichtert.
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Sobald nicht mehr die Gefahr eines ”Stromüberlaufes” besteht, kann die Anlage 2 in den Normal-Betriebsmodus zurückkehren.
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Um durch die Speicherflüssigkeit in dem zweiten Speicherbehälter 12 gespeicherte potentielle Energie zu nutzen, wird in einem Speicher-Betriebsmodus die Speicherflüssigkeit aus dem zweiten Speicherbehälter 12 in den ersten Speicherbehälter 10 abgelasssen, wobei die Speicherflüssigkeit die Generatoranordnung 14 antreibt. Die potentielle Energie der Speicherflüssigkeit wird somit in kinetische Energie und durch die Generatoranordnung 14 in elektrische Energie umgewandelt, die wiederum in das Stromnetz 6 eingespeichert wird.
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Aufgrund der erfindungsgemäß auf besonders einfache Weise erzielten Speicherung der Energie weist die erfindungsgemäße Anlage 2 hinsichtlich der Einspeisung elektrischer Energie in das Stromnetz 6 eine höhere Konstanz als bekannte Anlagen auf. Die erfindungsgemäße Anlage 2 ist damit beispielsweise für eine Einspeisung in ein Bahnstromnetz geeignet, wie in 1 bei dem Bezugszeichen 22 angedeutet.
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In 2 ist angedeutet, daß entsprechend den jeweiligen Anforderungen eine Mehrzahl von zweiten Speicherbehältern 12, 24, 26, 28, 30 vorgesehen sein kann. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann auch mehr als ein erster Speicherbehälter 10 vorgesehen sein.
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Die Speicherbehälter 10 können räumlich an einer beliebigen geeigneten Stelle der Anlage angeordnet werden. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, beispielsweise einen Fuß eines Windkraftkonverters der Windkraftkonverteranordnung 4 als doppelwandigen Tank, der einen ersten Speicherbehälter 10 bildet, auszugestalten.
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Erfindungsgemäß kann wenigstens einer der zweiten Speicherbehälter 12 auch mit einem kompressiblen Fluid, beispielsweise in Form eines Luftpolsters befüllt sein, wobei das Fluid beim Pumpen der Speicherflüssigkeit in den zweiten Speicherbehälter kompremiert wird.