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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Windenergieanlage mit einem Rotor, mit einem Generator, der
von dem Rotor angetrieben elektrische Energie zur Einspeisung in
ein Netz erzeugt, mit mindestens einem in einer Rotornabe drehbar
gelagerten Rotorblatt, das um seine Längsachse verstellbar ist, und mit
einem Hilfsgenerator, der von dem Rotor angetrieben elektrische
Energie für
mindestens einen Verbraucher erzeugt.
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Aus
DE 102 33 589 A1 ist eine Windenergieanlage
mit einem mehrstufigen Generator bekannt. Bei der Windenergieanlage
sind unterschiedliche Generatorstufen für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten
vorgesehen, die wahlweise zugeschaltet oder getrennt werden. Durch
die mehreren Generatorstufen soll ein breiter Bereich von unterschiedlichen
Windstärken
effektiv zur Stromerzeugung genutzt werden.
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Aus
DE
196 44 705 ist eine Verstellvorrichtung für die Rotorblätter bekannt.
Bei der Verstellung der Rotorblätter
werden diese in eine Querstellung gebracht, die sogenannte Fahnenstellung,
bei der die Windenergieanlage zum Stillstand kommt. Die Verstellvorrichtung
besitzt einen Hilfsgenerator, der im festen Verbund mit Turmkopf/Rotor
installiert ist und die Energie aus der Drehbewegung des Rotors
relativ zum Turmkopf gewinnt. Mit der so gewonnenen Energie werden
die Rotorblätter
direkt in die Fahnenstellung gedreht.
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Aus
DE 100 09 472 C2 ist eine Vorrichtung zum
Verstellen des Anstellwinkels der Rotorblätter mit einem Notstromkreis
bekannt. Der Notstromkreis besitzt einen Permanentmagnetgenerator,
der mit den Motoren zum Verstellen des Anstellwinkels derart verschaltet
ist, dass diese nach einem Zuschalten des Notstromkreises in die
Fahnenstellung gestellt werden. Hierbei wird bei hohen Drehzahlen
der Rotorwelle auch eine große
Verfahrgeschwindigkeit der Rotorblätter erzielt.
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Aus
DE 101 53 644 C2 ist eine Windenergieanlage
mit einer berührungslosen
Energieübertragung
von einem feststehenden Teil der Windenergieanlage auf den Rotor
bekannt. Hierzu wird eine Asynchronmaschine, deren Ständer mit
dem feststehenden Teil der Windenergieanlage verbunden und deren
Läufer
an dem drehenden Teil angeordnet ist, in die Windenergieanlage integriert.
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Aus
DE
368 799 ist eine Regelvorrichtung für eine Windenergieanlage bekannt,
bei der ein selbsterregter und ein fremderregter Generator zusammen mit
Akkumulatoren betrieben werden, derart, dass die Spannung selbsttätig gehalten
und ein schwankender Strombedarf der angeschlossenen Verbraucher
abgedeckt wird.
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Aus
EP 1 286 049 A2 ist eine Windenergieanlage
mit einer Stabilisierungseinrichtung bekannt, die den Rotor in einer
lastarmen Drehstellung (Parkposition) aktiv stabilisiert. Zusätzlich ist
eine eigene Energieversorgungseinrichtung, insbesondere in Form
einer Hilfs-Windenergieanlage, bekannt, die an dem Maschinenhaus
der Windenergieanlage montiert ist.
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Moderne Windenergieanlagen weisen
häufig eine
Verstelleinrichtung auf, die sogenannten Pitchantriebe, durch die
die Rotorblätter
um ihre Längsachse
verstellt werden können,
wodurch eine Anpassung an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten
ermöglicht
wird.
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Wenn es notwendig wird, eine solche
Windenergieanlage abzuschalten, werden die Rotorblätter über die
Pitchantriebe in ihre Fahnenstellung gebracht, das heißt die Rotorblätter stehen
im Wesentlichen quer (90°)
zur normalen Ausrichtung. In dieser Stellung kann der Rotor durch
eine Feststellbremse oder eine andere Stabilisierungseinrichtung
komplett im Stillstand gehalten werden. Jedoch wird der Rotor häufig nicht
durch eine Bremse im Stillstand gehalten, sondern der Rotor trudelt
im Wind, das heißt,
er dreht sich und dadurch den mit dem Rotor verbundenen Antriebsstrang
einschließlich
des Generators, wobei der Generator vom Netz getrennt ist, der sogenannte
Trudelbetrieb. Dabei stellt sich je nach der Windgeschwindigkeit
und Windrichtung eine ungleichmäßige Drehzahl
von wenigen Umdrehungen pro Minute ein, wogegen die normale Drehzahl
im Betrieb der Windenergieanlage wesentlich höher, beispielsweise im Bereich
von 15–20
Umdrehungen pro Minute liegt.
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Es wird allgemein verlangt, dass
die Rotorblätter
auch bei Ausfall der Stromversorgung in die Fahnenstellung gestellt
werden können.
Dazu sind meist Energiespeicher, beispielsweise Akkumulatoren oder
Kondensatoren bei elektrischen Pitchantrieben und Druckspeicher
bei hydraulischen Pitchantrieben vorgesehen, aus denen die zum einmaligen Verstellen
der Rotorblätter
in die Fahnenstellung notwendige Energie entnommen wird. Die Energiespeicher
sind häufig
so dimensioniert, dass diese nach dem einmaligen Verstellvorgang
erschöpft
sind und erst bei Wiederaufnahme des normalen Betriebs wieder aufgeladen
werden.
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Zur vorübergehenden Versorgung der
Steuerung der Windenergieanlage bei Netzausfall ist gewöhnlich eine
handelsübliche,
unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) auf der Basis von Akkumulatoren
vorhanden, diese ist dazu ausgelegt, die Steuerung der Windenergieanlage
für kurze
Zeit mit Strom zu versorgen, so dass beispielsweise über eine
Fernüberwachung
eine Meldung abgesetzt, das Betriebssystem ordnungsgemäß heruntergefahren und/oder
die Steuerung abgeschaltet werden kann.
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Bei Windenergieanlagen auf See (off-shore) wird
verlangt, dass die Windenergieanlage auch bei einem längeren Ausfall
des Stromnetzes von mehreren Tagen oder Wochen in der Lage ist,
wesentliche Komponenten mit Notstrom zu versorgen. Dazu ist gewöhnlich ein
Dieselgenerator vorgesehen, der mit einer entsprechend, großen Menge
Diesel versorgt worden muß.
Zum Erhalt eines einwandfreien Zustandes des Diesels und des Dieselgenerators
ist ein erheblicher Wartungsaufwand notwendig, unter anderem muß der Diesel
kontinuierlich oder zumindest regelmäßig umgewälzt und in bestimmten Abständen ausgetauscht
werden. Der Aufwand hierfür
ist erheblich, außerdem
führt der
Umgang mit Dieselkraftstoff auf See zu einer Gefährdung der Umwelt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, bei Netzausfall eine Energieversorgung bereitzustellen,
die mit geringem Aufwand herstellbar ist, im Normalbetrieb wenig
Wartung erfordert und keine Gefahr für die Umwelt darstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine
Windenergieanlage mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Windenergieanlage bilden die Gegenstände der
Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Windenergieanlage besitzt
einen Rotor, einen Generator, der von dem Rotor angetrieben elektrische
Energie zur Einspeisung in ein Netz erzeugt, mindestens ein in einer
Rotornabe drehbar gelagertes Rotorblatt, das um seine Längsachse
verstellbar ist, und einen Hilfsgenerator, der von dem Rotor angetrieben
elektrische Energie für
mindestens einen Verbraucher erzeugt. Erfindungsgemäß ist der
Hilfsgenerator für
eine Drehzahl des Rotors ausgelegt, die sich für ein in die Fahnenstellung
gestelltes Rotorblatt einstellt. Bei der Drehzahl im Trudelbetrieb
erzeugt der Hilfsgenerator elektrische Energie für den oder die Verbraucher.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Trudeln der
Windenergieanlage die vorhandene geringe Drehzahl zum Betrieb des
Hilfsgenerators ausgenutzt werden kann, um auf diese Weise dauerhaft und
zuverlässig
eine Notstromversorgung sicherzustellen. Insbesondere bei off-shore-Windenergieanlagen,
die auch für
einen Stromausfall von mehreren Tagen oder Wochen ausgelegt sein
müssen,
erlaubt der Hilfsgenerator eine zuverlässige Energieversorgung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
weist der Verbraucher, der von dem Hilfsgenerator versorgt wird,
eine Steuerung für
die Rotorblattverstellung und mindestens einen Motor zur Verstellung
des Anstellwinkels des Rotorblatts auf. Bei dieser Ausgestaltung ermöglicht der
Hilfsgenerator im Trudelbetrieb auch eine Steuerung des Anstellwinkels
von mindestens einem Rotorblatt, so dass im Ergebnis ein gesteuerter
oder geregelter Betrieb der Windenergieanlage im Trudelbetrieb erfolgt.
Bevorzugt ist jedes Rotorblatt mit jeweils einem Motor zur Verstellung
des Anstellwinkels ausgerüstet,
wobei jeder der Motoren von dem Hilfsgenerator versorgt wird. Diese
Ausgestaltung ermöglicht
es, den Anstellwinkel sämtlicher
Rotorblätter
auch im Trudelbetrieb einzustellen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung versorgt
der Hilfsgenerator eine Steuerung für den Winkel des Maschinenhauses
(Azimutwinkel) und einen Azimutantrieb zur Verstellung des Winkels
des Maschinenhauses. Bei dieser Ausgestaltung ermöglicht es
der Hilfsgenerator während
des Trudelbetriebs, das Maschinenhaus und damit den Rotor im Wind
auszurichten. Auf diese Weise kann auch die abgeschaltete Windenergieanlage
wechselnden Windrichtungen aktiv folgen, so dass die Windenergieanlage
auch bei starkem Wind weniger beansprucht wird.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung
sind Schaltmittel vorgesehen, die den Hilfsgenerator bei fehlender
Stromversorgung durch das Netz für
einen Antrieb durch den Rotor zuschalten. Bevorzugt sind die Schaltmittel
mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch ausgebildet.
In einer möglichen
Ausgestaltung ist als Schaltmittel eine mechanische Kupplung vorgesehen,
die bei normalem Betrieb der Windenergieanlage geöffnet wird
und bei Netzausfall selbsttätig
schließt,
wobei die Kupplung bevorzugt zeitverzögert schließt, so dass durch die Verzögerung die
Drehzahl bereits durch die aus dem Wind heraus gedrehten Rotorblätter vermindert
ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird
die Kupplung elektrisch und/oder hydraulisch geöffnet und federbetätigt geschlossen.
Alternativ ist es möglich,
ein fliehkraftbetätigendes
Schaltmittel vorzusehen, das bei, Überschreiten einer ersten vorbestimmten
Drehzahl öffnet
und bei Unterschreiten einer zweiten vorbestimmten Drehzahl schließt. Hierbei kann
die erste vorbestimmte Drehzahl gleich oder unterschiedlich zu der
zweiten vorbestimmten Drehzahl sein.
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In einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage
ist eine Bremse vorgesehen, die vor dem Zuschalten des Hilfsgenerators
betätigt
wird, bis eine für
den Hilfsgenerator vorgesehene Drehzahl erreicht wurde.
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In einer möglichen Ausgestaltung wird
der Hilfsgenerator von dem Rotor ständig angetrieben und durch
elektrische Schaltmittel eine elektrische Verbindung mit den Verbrauchern
erst hergestellt, wenn die vorgesehene Drehzahl für den Hilfsgenerator
erreicht wurde.
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In einer Weiterführung der vorgenannten Ausgestaltung
besitzt das Schaltmittel ein Schütz, das
bei Normalbetrieb geöffnet
ist und bei Netzausfall bevorzugt zeitverzögert schließt. Ferner besitzt das Schaltmittel
zusätzlich
einen Gleichrichter, einen Umrichter und/oder einen Wechselrichter,
der oder die den von dem Hilfsgenerator erzeugten Strom in einer für den zu
versorgenden Verbraucher erforderlichen Weise umwandeln und als
Gleich- bzw. Wechselstrom bereitstellen.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung
ist der Hilfsgenerator über
ein Getriebe mit dem Rotor gekoppelt, wobei vorzugsweise das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis besitzt,
um den Hilfsgenerator bei einer Umdrehungszahl des Rotors der Windenergieanlage
von weniger als 15 Umdrehungen pro Minute zur Erzeugung von elektrischer
Energie anzutreiben. Beispielsweise ist das Übersetzungsverhältnis für einen
Drehzahlbereich des Hilfsgenerators von zwei bis acht Umdrehungen
pro Minute ausgelegt. Weiter bevorzugt ist der Hilfsgenerator so
ausgelegt, dass bei einem Übersetzungsverhältnis für Drehzahlen
von vier bis sechs Umdrehungen pro Minute eine ausreichende Bereitstellung
von elektrischer Energie durch diesen erfolgt. Zukünftige Windenergieanlagen
mit sehr großem
Durchmesser können
auch bei deutlich geringeren Drehzahlen mit dem Hilfsgenerator Strom
erzeugen.
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Der Hilfsgenerator besitzt bevorzugt
eine selbst- oder permanenterregte Bauform. Alternativ kann ein
Generator mit Fremderregung verwendet werden, für den die Erregungsleistung
aus einem Energiespeicher, beispielsweise Akkumulator, bereitgestellt
wird. Zusätzlich
ist in einer zweckmäßigen Weiterführung mindestens
ein Akkumulator in der Windenergieanlage vorgesehen, der eine unterbrechungsfreie
Stromversorgung sicherstellt, wobei der Akkumulator von dem Hilfsgenerator
versorgt und insbesondere bei Netzausfall wieder aufgeladen wird.
Ebenfalls ist es möglich,
den Generator derart auszubilden, dass dieser durch Schaltmittel
als Hilfsgenerator betrieben werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher
erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht des Triebstrangs einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage
und
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2 ein
Blockschaltbild mit den wesentlichen durch den Hilfsgenerator zu
versorgenden Komponenten der Windenergieanlage.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Triebstrangs einer Windenergieanlage,
mit einem Rotorblatt 1, das in einer Rotornabe 2 verstellbar
gelagert ist. Die Rotorwelle 3 mündet in einem Getriebe 4,
dessen Abgangswelle die Generatorwelle 5 für den Generator 6 bildet.
Im Normalbetrieb besitzt die Windenergieanlage eine Drehzahl von
beispielsweise ungefähr
15–20
Umdrehungen pro Minute, die durch das Getriebe 4 in eine
geeignete Drehzahl für den
Generator 6 umgesetzt wird. Selbstverständlich existieren auch getriebelose
Antriebsstränge.
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An einer Abgangswelle des Generators 6 ist eine
selbsttätige
Kupplung 9 vorgesehen, die mit einer Generatorwelle 7 eines
Hilfsgenerators 8 verbunden ist.
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Der dargestellte Antriebsstrang arbeitet
wie folgt: Bei einem Ausfall des Netzstroms, werden durch einen
Hilfsmotor, der von einem Generator oder einem Energiespeicher (nicht
dargestellt) gespeist wird, die Rotorblätter in die Fahnenstellung
gedreht. Hierdurch geht die Windenergieanlage in den Trudelbetrieb über, bei
dem der Rotor eine Drehzahl von ungefähr vier bis sechs Umdrehungen
pro Minute besitzt. Ist die Drehzahl ungefähr erreicht, schließt die Kupplung 9,
so dass der Hilfsgenerator 8 durch den Rotor angetrieben
wird. Die durch den Hilfsgenerator 8 bereitgestellte elektrische
Leistung, in der Größenordnung
von einigen Kilowatt, reicht aus, die beim Stromausfall benötigten Komponenten
der Windenergieanlage, wie beispielsweise Steuerung, Windsensoren,
Pitch- und Azimutsystem, Hydrauliksystem, Signaleinrichtung, Gefahrfeuer
für See-
und Luftfahrt und dergleichen zu versorgen. Wie nachfolgend noch
beschrieben wird, erlaubt die von dem Hilfsgenerator 8 bereitgestellte
Energie sogar eine Steuerung oder Regelung des Trudelbetriebs.
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2 zeigt
in einem Blockschaltbild die Anschlüsse der Windenergieanlage.
Im Normalbetrieb wird die am Generator 6 erzeugte elektrische
Leistung über
den geschlossenen Schalter 17 in das Netz eingespeist.
Die elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise die Steuerung 13,
die Signaleinrichtungen und Gefahrfeuer 14, sowie das Azimutsystem 15 und
das Pitchsystem 16 werden vom Netz – beziehungsweise von dem Generator 6 – mit elektrischer Leistung
versorgt.
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Wenn die Windenergieanlage, beispielsweise
infolge eines Ausfalls des Stromnetzes, vom Netz getrennt werden
muß, öffnet Schalter 17.
In diesem Fall übernimmt
die unterbrechungsfreie Stromversorgung 12 für kurze
Zeit die Versorgung der Verbraucher, insbesondere der Steuerung 13 und
der Signaleinrichtungen und Gefahrfeuer 14. Außerdem werden
durch die Pitchantriebe, die Bestandteil des Pitchsystems 16 sind,
die Rotorblätter
in die Fahnenstellung gestellt. Die dazu erforderliche Energie wird Energiespeichern
entnommen, die ebenfalls Bestandteil des Pitchsystems 16 sind.
Durch das Verdrehen der Rotorblätter
in die Fahnenposition verringert sich die Drehzahl des Rotors. Bei
geeigneter Drehzahl wird Schalter 18 umgelegt und die von
dem Hilfsgenerator 8 erzeugte elektrische Leistung wird über einen
Umrichter 11 in geeigneten Wechselstrom für die Verbraucher
umgewandelt. Hierdurch kann die unterbrechungsfreie Stromversorgung 12 wieder aufgeladen,
die Steuerung 13 erforderlichenfalls wieder in Betrieb
genommen und Steueraufgaben übernommen
werden, ferner können
die Signaleinrichtungen und Gefahrfeuer 14 betrieben werden.
Weiterhin erfolgt bei normalerweise geschlossenem Schalter 19 eine
Versorgung des Azimutsystems 15 und des Pitchsystems 16.
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Selbstverständlich kann auf einen Umrichter 11 verzichtet
werden, wenn die Komponenten 12...16 der Windenergieanlage
für einen
Betrieb unmittelbar mit dem von dem Hilfsgenerator 8 erzeugten
Strom geeignet sind.
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Durch den Hilfsgenerator 8 werden
wenigstens die Versorgung der Steuerung 13 der Windenergieanlage
und des Pitchsystems 16 sowie die Versorgung mindestens
eines Pitchantriebs sichergestellt, so dass mindestens ein Rotorblatt
in der Windenergieanlage auf eine von der Fahnenstellung abweichende
Position gestellt werden kann. Bei einer Steuerung im Trudelbetrieb
wird das Rotorblatt derart eingestellt, dass die Drehzahl des Rotors
sich in einem solchen Bereich befindet, dass an der Generatorwelle 7 eine
für den
Betrieb des Hilfsgenerators 8 besonders günstige Drehzahl
auftritt, beispielsweise 400– 500
Umdrehungen pro Minute. Auf diese Weise kann der Trudelbetrieb kontrolliert
und eine gleichmäßige Bereitstellung
von Energie erreicht werden.
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Durch den Hilfsgenerator 8 können wenigstens
die Steuerung 13 der Windenergieanlage und des Azimutsystems,
die Windsensoren, die Azimutantriebe und – sofern vorhanden – das Hydrauliksystem
mit Energie versorgt werden. Durch die Windsensoren wird insbesondere
die Windrichtung bestimmt, so dass die Steuerung 13 eine
Eingangsgröße erhält, in welcher
Richtung ein Nachführen
der Windenergieanlage erforderlich ist. Das Hydrauliksystem muß mit Energie
versorgt werden, wenn die Windenergieanlage mit Azimutbremsen ausgestattet ist,
die beim Nachführen
der Windenergieanlage hydraulisch gelüftet werden müssen. Hierdurch
wird es möglich,
die Windenergieanlage bei drehendem Wind nachzuführen und so einzustellen, dass
möglichst
geringe Lasten auf sie einwirken. Insbesondere wird die Windenergieanlage
so eingestellt, dass der Rotor in Richtung des Windes weist.
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Bei Eintritt einer Windstille ist
eine Versorgung durch den Hilfsgenerator 8 nicht mehr möglich. In
diesem Fall ist noch eine Versorgung der Steuerung 13 und
der Signaleinrichtungen und Gefahrfeuer 14 erforderlich,
die von der unterbrechungsfreien Stromversorgung 12 übernommen
wird. Ein Betrieb des Azimutsystems 15 und des Pitchsystem 16 ist dann
nicht erforderlich und diese Komponenten werden durch Öffnen des
Schalters 19 von der Versorgung getrennt.
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Die Steuerung 13 ist über (nicht
dargestellte) Steuerleitungen, ein lokales Kommunikationsnetz oder
andere Verbindungsmittel mit den übrigen Komponenten der Windenergieanlage
verbunden, um diese zu steuern und um Betriebs- und Meßwerte von diesen
zu erhalten.
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Sicherheitsrichtlinien für moderne
Windenergieanlagen fordern, dass die abgeschaltete Windenergieanlage
bei Netzausfall einen Sturm bestimmter Stärke mit wechselnder Windrichtung
unbeschadet übersteht.
Wenn die Windenergieanlage der wechselnden Windrichtung aktiv folgen
kann, so kann diese für
den dimensionierenden Lastfall mit erheblicher Materialeinsparung
an verschiedenen Komponenten ausgelegt werden und es besteht eine
größere Wahrscheinlichkeit,
dass die Windenergieanlage extreme Windbedingungen unbeschadet übersteht.