DE102012110024A1

DE102012110024A1 - Verfahren zum Abschalten einer Windkraftanlage, die Rotorblätter mit ausfallsicheren Luftbremsen aufweist

Info

Publication number: DE102012110024A1
Application number: DE102012110024A
Authority: DE
Inventors: Edward Lee McGrath; Robert William Ridgway
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM WIND POWER A/S, DK
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2013-05-02
Also published as: US20120134803A1; US8491262B2; CN103089540A; DK201270634A; DK178156B1; CN103089540B

Abstract

Ein Verfahren zum Abschalten einer Windkraftanlage, die ein oder mehrere Windkraftanlagenblätter aufweist, enthält ein Erfassen einer Betriebsbedingung der Windkraftanlage, die eine beschleunigte Abschaltung oder eine Notabschaltung der Windkraftanlage auf eine andere Weise als durch eine normale Abschaltung durch Anstellwinkelsteuerung erfordert. Bei Erfassung der Betriebsbedingung wird eine oder werden mehrere Luftbremsklappen, die an jedem der Windkraftanlagenblätter eingerichtet sind, durch Unterbrechung der Energieversorgung für einen Ausfallsicherungsaktuator, der mit jeder der Luftbremsklappen betriebsmäßig verbunden ist, ausgefahren. Der Ausfallsicherungsaktuator ist konfiguriert, um in einem energieversorgten Zustand des Ausfallsicherungsaktuators die jeweilige Luftbremsklappe in einer eingezogenen Stellung in Bezug auf eine Saugseite des Windkraftanlagenblattes zu halten und um bei Verlust bzw. Wegfall der Energieversorgung für den Ausfallsicherungsaktuator die Luftbremsklappe für ein automatisches Ausfahren zu einer Offenstellung freizugeben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der vorliegende Gegenstand betrifft allgemein Windkraftanlagen und insbesondere Windkraftanlagenrotorblätter, die eine oder mehrere Luftbremsklappen oder „Spoiler“, die als eine Luftbremse funktionieren, aufweisen.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Windenergie wird als eine der saubersten, umweltfreundlichsten Energiequellen, die derzeit zur Verfügung stehen, angesehen, und Windkraftanlagen haben in dieser Hinsicht zunehmend Beachtung gewonnen. Eine moderne Windkraftanlage enthält gewöhnlich einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel und ein oder mehrere Rotorblätter. Die Rotorblätter fangen kinetische Energie vom Wind unter Verwendung bekannter Tragflächenprinzipien auf und übertragen die kinetische Energie über Rotationsenergie zur Drehung einer Welle, die die Rotorblätter koppelt, zu einem Getriebe oder, falls ein Getriebe nicht verwendet wird, direkt zu dem Generator. Der Generator wandelt anschließend die mechanische Energie in elektrische Energie um, die in ein Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
Um sicherzustellen, dass Windenergie eine zukunftssichere Energiequelle bleibt, werden Anstrengungen unternommen, um den Energieertrag durch Modifikation der Größe und Kapazität von Windkraftanlagen, zu steigern, wozu eine Vergrößerung der Länge und der Oberfläche der Rotorblätter gehören. Jedoch ist die Größe der Durchbiege- bzw. Auslenkkräfte und Belastung eines Rotorblatts allgemein von der Blattlänge gemeinsam mit der Windgeschwindigkeit, den Turbinenbetriebszuständen, der Blattsteifigkeit und anderen Variablen abhängig. Diese erhöhte Belastung ruft nicht nur eine Ermüdung an den Rotorblättern und anderen Windkraftanlagenkomponenten hervor, sondern kann auch die Gefahr eines plötzlichen katastrophalen Ausfalls der Rotorblätter erhöhen, wenn z.B. eine zu große Belastung eine Durchbiegung eines Blattes bewirkt, die zu einem Streifen des Turms führt. Eine Laststeuerung stellt somit beim Betrieb moderner Windkraftanlagen einen wichtigen Aspekt dar. Aktive Anstellwinkelsteuersysteme finden breite Anwendung, um die Last an den Rotorblättern durch Variation des Anstellwinkels der Blätter zu steuern.
Das Notabschaltsystem an vielen Windkraftanlagen nutzt das aktive Anstellwinkelsteuersystem, um die Blätter in einem Notzustand schnell auf Segelstellung anzustellen, um den Auftrieb zu reduzieren und das Blatt anzuhalten. Diese Art eines Abschaltsystems ist jedoch nicht ohne Nachteile. Zum Beispiel muss eine Notstromversorgung (z.B. eine Batteriebank) aufrechterhalten (geladen) und mit einem Motor in Verbindung gesetzt werden, um die Blätter im Falle eines Verlustes der Energieversorgung für das Anstellwinkelsteuersystem in Segelstellung zu bringen. Bei hydraulischen Anstellwinkelsteuersystemen hat ein Energieverlust einen Verlust des Hydraulikdrucks und ein Anstellen der Blätter in eine sichere Position in Segelstellung mittels Federn zur Folge. Jedoch erhöhen hydraulische Systeme die Kosten und den Wartungsaufwand für die Windkraftanlage beträchtlich, und die zur Bewegung des gesamten Blattes erforderlichen Federn sind groß und kostspielig.
US-Patentschrift Nr. 4,692,095 beschreibt Windkraftanlagenblätter mit aktiven Spoilern auf der Niederdruckseite des Blattes, die schnell ausfahren, um einen Zustand mit überhöhter Geschwindigkeit zu kontrollieren. Die Spoiler sind mit einer elektrisch betätigten Kupplung verbunden, die normalerweise die Spoiler in einer bündig eingelassenen Stellung hält. In einem Übergeschwindigkeitszustand lässt die Kupplung das Seil frei, und der Spoiler öffnet mittels einer Feder. Der Spoiler öffnet jedoch gegen die Kraft der über das Blatt strömenden Luftströmung, und die Feder muss eine hinreichende Größe und Stärke haben, um den Spoiler offen zu halten, während sich der Rotor verlangsamt. Ebenfalls muss die Kupplung eine hinreichende Größe und Leistung haben, um den Spoiler gegen die Kraft der Feder einzuziehen.
Demgemäß würde die Industrie von einem verbesserten Notabschaltsystem für Windkraftanlagenrotorblätter profitieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung erläutert oder können aus der Beschreibung offenkundig sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
In einem Aspekt ist ein Windkraftanlagenrotorblatt mit einer Druckseite geschaffen, die mit einer Saugseite an einer Vorderkante und einer Hinterkante verbunden ist und einen inneren Hohlraum des Blattes definiert. Eine oder mehrere Luftbremsklappen sind innerhalb einer Aussparung in der Saugseite bündig eingelassen und lassen sich von einer eingezogenen Stellung innerhalb der Aussparung in eine Offenstellung betätigen, in der die Luftbremsklappe sich quer zu der Saugseite erstreckt. Die Luftbremsklappe weist ein gelenkig gelagertes Ende und ein freies Ende auf, das sich benachbart zu der Vorderkante befindet, so dass in der Offenstellung die Luftbremsklappe durch eine Luftströmung über der Saugseite vorgespannt bzw. vorbelastet ist, um in der Offenstellung zu bleiben. Ein auch als Fail-Safe-Aktuator bezeichneter Ausfallsicherungsaktuator ist mit der Luftbremsklappe betriebsmäßig verbunden und konfiguriert, um die Luftbremsklappe in einem energieversorgten Zustand des Aktuators in der eingezogenen Stellung zu halten. Der Aktuator gibt beim Verlust der Energieversorgung für den Aktuator die Luftbremsklappe für die Offenstellung frei.
In einer bestimmten Ausführungsform steht eine Steuereinrichtung in Kommunikationsverbindung mit dem Aktuator und unterbindet die Energieversorgung zu dem Aktuator in Abhängigkeit von einem Abschaltzustandssignal (z.B. von einem Lastsensor), um ein Aufstellen oder Ausfahren der Luftbremsklappe zu bewirken.
Der Aktuator kann auf verschiedene Weise konfiguriert sein. Zum Beispiel kann der Aktuator in einer Ausführungsform ein elektrisch gesteuerter durch Federkraft ausfahrbarer Aktuator mit einer federvorgespannten Stange sein, die mit der Luftbremsklappe gekoppelt ist und diese beim Verlust elektrischer Leistung für den Aktuator in die Offenstellung antreibt.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Aktuator eine Sperre oder Verriegelung enthalten, die die Luftbremsklappe in der eingezogenen Stellung hält und die Luftbremsklappe beim Verlust der Energieversorgung für die Sperre freigibt.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann ein Vorspannelement bei der Luftbremsklappe eingerichtet sein, um eine Anfangsbewegung der Luftbremsklappe aus der Aussparung heraus beim Energieverlust für den Aktuator zu erzeugen, wobei eine Luftströmung über der Saugseite nachfolgend die Luftbremsklappe in die Offenstellung überführt. Zum Beispiel kann der Aktuator eine Stange enthalten, die mit der Luftbremsklappe gekoppelt ist, wobei das Vorspannelement eine Feder enthält, die angeordnet ist, um auf die Stange einzuwirken. Eine Rückstellfeder kann angeordnet sein, um die Stange in die eingezogene Stellung der Luftbremsklappe entgegen der Vorspannfeder zurückzuziehen, sobald das Blatt sich verlangsamt oder angehalten hat.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Aktuator eine Sperre oder Verriegelung enthalten, die die Luftbremsklappe in der eingezogenen Stellung zurückhält und die Luftbremsklappe beim Energieverlust für die Sperre freigibt, wobei das Vorspannelement bei Freigabe der Sperre auf die Luftbremsklappe einwirkt. Zum Beispiel kann das Vorspannelement eine Feder sein, die innerhalb der Aussparung angeordnet ist, um so bei Freigabe der Sperre unmittelbar auf eine Unterseite der Luftbremsklappe einzuwirken.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Aktuator ein Kabel oder Seil sein, das an einer Unterseite der Luftbremsklappe angebracht und auf eine elektrisch gesteuerte Kupplung gewickelt ist, wobei beim Energieverlust die Kupplung auslöst und das Vorspannelement die Luftbremsklappe aus der Aussparung heraus in eine derartige Stellung überführt, dass eine Luftströmung über der Saugseite anschließend die Luftbremsklappe in die Offenstellung überführt.
In anderen Ausführungsformen kann der Aktuator eine elektrisch gesteuerte Formgedächtnisfeder enthalten, die mit einer Stange gekoppelt ist, die bei einem Verlust elektrischer Energie für die Formgedächtnisfeder die Luftbremsklappe in die Offenstellung treibt. Beim Wiederherstellen der Energieversorgung zieht sich die Feder zusammen und zieht die Luftbremsklappe in die eingezogene Stellung ein.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Stoppseil bei der Luftbremsklappe eingerichtet sein, um einen Bewegungsbereich der Luftbremsklappe zu der Offenstellung unabhängig von dem Aktuator zu definieren.
Der vorliegende Gegenstand umfasst ferner eine Ausführungsform eines Windkraftanlagenblattes, das eine vertikal ausfahrbare Luftbremsklappe mit einem oberen Ende aufweist, das innerhalb der Saugseite bündig montiert ist. Die Luftbremsklappe ist von einer eingezogenen Stellung innerhalb des inneren Hohlraums des Blattes in eine Offenstellung betätigbar, in der sich die Luftbremsklappe im Wesentlichen vertikal von der Saugseite weg erstreckt. Ein Ausfallsicherungsaktuator (Fail-Safe-Aktuator) ist mit der Luftbremsklappe betriebsmäßig verbunden und konfiguriert, um die Luftbremsklappe in einem energieversorgten Zustand des Aktuators in der eingezogenen Stellung zu halten und um die Luftbremsklappe bei einem Verlust der Energieversorgung für den Aktuator freizugeben und in die Offenstellung zu bewegen.
Der Aktuator kann in der vertikal einsetzbaren Luftbremsklappe auf verschiedene Weise konfiguriert sein. Zum Beispiel kann der Aktuator ein elektrisch gesteuerter Formgedächtnis-Federaktuator sein, der die Luftbremsklappe beim Verlust elektrischer Energieversorgung für den Formgedächtnis-Federaktuator in die Offenstellung treibt und die Luftbremsklappe bei nachfolgender Zuführung von Energie zu dem Formgedächtnis-Federaktuator zurück in die eingezogene Stellung zieht. In einer modifizierten Ausführungsform kann der Aktuator eine Sperre aufweisen, die die Luftbremsklappe in der eingezogenen Stellung hält und bei einem Verlust der Energieversorgung für die Sperre die Luftbremsklappe freigibt. Der Aktuator kann ferner eine Feder enthalten, die angeordnet ist, um die Luftbremsklappe bei einer Freigabe der Sperre in die Offenstellung zu überführen. Ein Rückstellantriebmechanismus, z.B. ein Zahnradgetriebe oder irgendein anderer geeigneter mechanischer, elektrischer oder pneumatischer Antrieb, kann konfiguriert sein, um die Luftbremsklappe in die eingezogene Stellung zu überführen.
Die Erfindung umfasst ferner eine Windkraftanlage, die ein oder mehrere Windkraftanlagenblätter aufweist, die mit den Luftbremsklappen, wie sie hierin beschrieben sind, eingerichtet sind.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens zum Abschalten einer Windkraftanlage, die ein oder mehrere Windkraftanlagenblätter mit Luftbremsklappen aufweist, wie sie hierin erläutert sind. Ein bestimmtes Verfahren enthält ein Erfassen eines Betriebszustands der Windkraftanlage, der ein beschleunigtes Abschalten oder Notabschalten der Windkraftanlage durch andere Mittel oder in einer anderen Weise als eine normale Abschaltung durch Anstellwinkelsteuerung erfordert. Beim Erfassen des Betriebszustands werden eine oder mehrere Luftbremsklappen, die auf jedem der Windkraftanlagenblätter eingerichtet sind, ausgefahren, indem eine Energieversorgung für einen Ausfallsicherungsaktuator (Fail-Safe-Aktuator) unterbrochen wird, der mit jeder der Luftbremsklappen betriebsmäßig gekoppelt ist. Die Ausfallsicherungsaktuatoren sind konfiguriert, um die jeweilige Luftbremsklappe in einem energieversorgten Zustand des Ausfallsicherungsaktuators in einer eingezogenen Stellung in Bezug auf eine Saugseite des Windkraftanlagenblattes zu halten und um die Luftbremsklappe bei einem Verlust der Energieversorgung zu dem Ausfallsicherungsaktuator für ein automatisches Ausfahren zu einer Offenstellung freizugeben.
Der erfasste Betriebszustand, der die Abschaltung initiiert, kann eine beliebige einzelne oder eine Kombination von Bedingungen sein. Zum Beispiel kann der erfasste Betriebszustand in einer Ausführungsform anzeigen, dass ein bei der Windkraftanlage betriebsmäßig eingerichtetes Sicherheitssystem nicht aktiviert oder wirksam ist. Das Sicherheitssystem kann mit einer einzelnen oder redundanten „Sicherheitsketten“ eingerichtet sein, um ein Abbremsen der Windkraftanlage für einen Übergeschwindigkeitszustand des Rotors oder Generators, eine übermäßige Vibration, einen Ausfall des Anstellwinkelsteuersystems oder einen Ausfall des Steuerungssystems zu initiieren. In einer anderen Ausführungsform kann der erfasste Betriebszustand einen Verlust oder eine Fehlfunktion des Anstellwinkelsteuersystems, das bei der Windkraftanlage betriebsmäßig eingerichtet ist, unabhängig von dem Status des Sicherheitssystems anzeigen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der erfasste Betriebszustand eine Erzeugung eines Notabschaltbefehls (aus irgendeinem Grund) von einer Windkraftanlagensteuerungseinrichtung sein, die bei der Windkraftanlage betriebsmäßig eingerichtet ist.
Windkraftanlagen sind allgemein konfiguriert, um Elektrizität zu einem Verteilungsnetz zu liefern. In diesem Fall kann der erfasste Betriebszustand einen Netzverlust oder eine Fähigkeit zur Einspeisung in das Netz anzeigen.
Nach einem Ausfahren der Luftbremsklappen kann das Verfahren ferner ein Erfassen enthalten, wann der Turbinenrotor angehalten hat und ob die Windkraftanlagenblätter mit der Anstellwinkelsteuerung in eine neutrale Position in Segelstellung gebracht werden können. Falls diese Bedingungen erfüllt sind, kann das Verfahren ferner ein Anstellen der Blätter zu der neutralen Position in Segelstellung und ein Versetzen der Windkraftanlage in einen Abschaltzustand enthalten. In dem Abschaltzustand kann Leistung zu den Ausfallsicherungsaktuatoren geliefert werden, um die Luftbremsklappen einzuziehen.
Abhängig von der Konfiguration der Luftbremsklappen können bestimmte der Verfahrensausführungsformen ein Bereitstellen einer anfänglichen Antriebskraft für die Luftbremsklappen beim Entfernen der Energieversorgung zu den Ausfallsicherungsaktuatoren enthalten, um die Luftbremsklappen in eine Anfangsposition relativ zu der Saugseite des Windkraftanlagenblattes zu überführen, so dass eine Luftströmung über der Saugseite anschließend auf die Luftbremsklappen einwirkt und die Luftbremsklappen in eine vollständig ausgefahrene Position überführt. Die Luftbremsklappen können in diesen Ausführungsformen auf der Saugseite des Windkraftanlagenblattes schwenkbar montiert sein.
In Ausführungsformen, in denen die Luftbremsklappen ein oberes Ende aufweisen, das in der eingezogenen Stellung der Luftbremsklappen mit der Saugseite des Windkraftanlagenblattes bündig eingelassen ist, und in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung von der Saugseite des Windkraftanlagenblattes ausfahrbar sind, kann das Verfahren ein Bereitstellen einer hinreichenden Antriebskraft für die Luftbremsklappen beim Entfernen der Energieversorgung zu den Ausfallsicherungsaktuatoren enthalten, um die Luftbremsklappen in eine vollständig ausgefahrene Stellung in Bezug auf die Saugseite des Turbinenblattes zu überführen.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung angegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer Windkraftanlage mit Blättern gemäß Aspekten der Erfindung;
2 eine Längsansicht eines Windkraftanlagenrotorblattes mit mehreren Luftbremsklappen, die in Spannweitenrichtung entlang des Blattes in einer Linie angeordnet sind;
3 eine Querschnittsansicht eines Windkraftanlagenrotorblattes mit einer durch Ausschwenken ausfahrbaren Luftbremsklappe;
4 eine Perspektivansicht eines Abschnitts einer Saugseitenoberfläche eines Windkraftanlagenblattes mit einer Luftbremsklappe;
5 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Luftbremsklappe und eines Aktuators gemäß Aspekten der Erfindung;
6 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Luftbremsklappe und eines Aktuators;
7 eine Querschnittsansicht einer noch weiteren Ausführungsform einer Luftbremsklappe und eines Aktuators;
8 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer Luftbremsklappe und eines Aktuators;
9 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Luftbremsklappe und eines Aktuators;
10 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vertikal ausfahrbaren Luftbremsklappe und eines Aktuators;
11 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer vertikal ausfahrbaren Luftbremsklappe und eines Aktuators; und
12 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Abschalten einer Windkraftanlage gemäß Aspekten der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sein, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang oder Rahmen der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen mit umfassen soll, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eine Perspektivansicht einer Windkraftanlage 10 mit horizontaler Achse. Es sollte erkannt werden, dass die Windkraftanlage 10 eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse sein kann. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Windkraftanlage 10 einen Turm 12, eine Gondel 14, die an dem Turm 12 montiert ist, und eine Rotornabe 18, die mit einem Generator innerhalb der Gondel 14 über eine Antriebswelle und ein Getriebe verbunden ist. Der Turm 12 kann aus Stahlrohr oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Die Rotornabe 18 enthält ein oder mehrere Rotorblätter 16, die mit der Nabe 18 gekoppelt sind und sich radial nach außen von dieser weg erstrecken.
Die Rotorblätter 16 können allgemein eine beliebige geeignete Länge aufweisen, die der Windkraftanlage 10 ermöglicht, gemäß den Auslegungskriterien zu funktionieren. Die Rotorblätter 16 drehen die Rotornabe 18 um zu ermöglichen, dass kinetische Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Insbesondere kann die Nabe 18 mit einem (nicht veranschaulichten) elektrischen Generator drehbar gekoppelt sein, der zur Erzeugung elektrischer Energie innerhalb der Gondel 14 angeordnet ist.
Bezugnehmend auf die 1 und 2 enthalten die Blätter 16 eine oder mehrere Luftbremsklappen 40, die entlang der Vorderkante 32 jedes jeweiligen Blattes angeordnet sind. Diese Luftbremsklappen 40 sind insofern ausfallsichere Vorrichtungen (sog. Fail-Safe-Vorrichtungen), als in dem Fall eines Verlustes der Energieversorgung zu dem Windkraftanlagensteuersystem (oder der Energie für Aktuatoren, die die Klappen 40 steuern), die Klappen 40 automatisch in eine Offenstellung (4) ausfahren, um die Last an den Blättern 16 zu reduzieren und den Rotor 18 zu verlangsamen oder anzuhalten. Verschiedene Ausführungsformen der Luftbremsklappen 40 und zugehöriger Aktuatoren sind in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, kann die Windkraftanlage 10 ferner ein Windkraftanlagensteuerungssystem oder eine Windkraftanlagensteuerung 20 enthalten, das bzw. die innerhalb der Gondel 14 oder an einer beliebigen Stelle an oder in der Windkraftanlage 10 oder generell an irgendeiner anderen geeigneten Stelle angeordnet ist. Die Steuereinrichtung 20 kann geeignete Prozessoren und/oder eine andere Verarbeitungsfunktionalität enthalten, die eingerichtet sind/ist, um die betrieblichen Aspekte der Windkraftanlage 10 sowie die hierin beschriebenen Funktionen in Bezug auf die Luftbremsklappen zu steuern. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 20 den Anstellwinkel der Rotorblätter 16 entweder einzeln oder simultan durch Übertragung geeigneter Steuersignale zu einem Blattverstellantrieb oder Anstellwinkeleinstellsystem innerhalb der Gondel 14 steuern. Ferner kann die Steuereinrichtung 20 konfiguriert sein, um die Position der Gondel 14 in Bezug auf eine Gierachse über einen Gierantriebsmechanismus innerhalb der Gondel 14 zu steuern, um die Rotorblätter 16 in Bezug auf die Windrichtung zu positionieren, wenn sich die Richtung des Windes verändert.
Weiterhin bezugnehmend auf 1 können die Luftbremsklappen 40 durch eine Steuereinrichtung 54 betätigt und gesteuert werden, die mit jedem der Blätter 16 über Strom-/Steuerleitungen 24 in Verbindung steht. Die jeweiligen Steuerungen 54 können wiederum mit der Windkraftanlagensteuerung 20 über die Steuer-/Stromleitungen 26 in Kommunikationsverbindung stehen, um eine koordinierte Steuerung der verschiedenen Lüftungsklappen 44 zu ermöglichen. Die Steuerung 20 kann eine beliebige Art von Eingangssignalen von verschiedenen Sensoren 22 empfangen, die geeignet angeordnet und eingerichtet sind, um verschiedene Betriebsbedingungen an den Blättern 16, wie beispielsweise durch die Blätter 16 erfahrene extreme Lastbedingungen oder Übergangslastbedingungen, zu erfassen. Bei derartigen Lastbedingungen kann die Steuereinrichtung 20 über die Strom-/Steuerleitungen 26 eine beliebige Anzahl oder Kombination der Luftbremsklappen 40 betätigen, indem sie die Energieversorgung zu den Klappenaktuatoren unterbricht. In dem Falle eines Totalausfalls der Energieversorgung für die Steuereinrichtung 20 fahren bzw. schwenken die Luftbremsklappen 40 automatisch aus, wie dies oben erwähnt ist. Um insgesamt ein Gleichgewicht zwischen dem Rotor 18 und den Blättern 16 aufrechtzuerhalten, kann die gleiche Anzahl und Kombination der Luftbremsklappen 40 an jedem der Blätter 16 unisono über ihre jeweiligen Steuermechanismus 54 betätigt werden. Am Ende des Übergangslastzustands können die Luftbremsklappen 40 mit Energie versorgt und in ihre eingezogene Stellung zurückgeführt werden.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Blattes 16, das mit einer ausfahrbaren Luftbremsklappe 40 eingerichtet ist. Das Blatt 16 enthält ein Saugseitenelement 30 und ein Druckseitenelement 28. Die Elemente 28, 30 sind an einer Vorderkante 32 und einer Hinterkante 34 von einer Blattspitze bis zu einer Wurzel miteinander verbunden. Innerhalb des Blattes 16 ist ein innerer Hohlraum 36 ausgebildet, in dem eine beliebige Art einer Struktur, Steuereinrichtungen und dergleichen angeordnet sein kann/können. Zum Beispiel würde das Rotorblatt 16 gewöhnlich strukturelle Stützelemente 38, wie beispielsweise einen sich in Längsrichtung erstreckenden Holmsteg und jeweilige Holmgurte, die an den Innenflächen der Saugseite 30 und der Druckseite 28 angebracht sind, enthalten. Es sollte ferner erkannt werden, dass die Rotorblätter 16 nicht auf irgendeine spezielle Gestalt oder Konfiguration beschränkt sind und dass die in den vorliegenden Figuren dargestellten Blätter nicht als eine Beschränkung der gesamten Konstruktion und Konfiguration der Blätter gemeint sind.
3 und 4 veranschaulichen Aspekte der Luftbremsklappen 40. Jede der Klappen 40 weist ein gelenkig gelagertes Ende 46 auf, das in Bezug auf die Oberfläche des Saugseitenelementes 30 mittels einer beliebigen Art eines geeigneten Scharniers oder Gelenkes 48 (5) verschwenkt. Die Luftbremsklappe 40 weist ein freies Ende 44 auf, das benachbart zu der Vorderkante 32 des Blattes 16 angeordnet ist. In einer eingezogenen oder geschlossenen Stellung der Luftbremsklappe 40, wie sie in 2 dargestellt ist, befindet sich die Klappe 40 innerhalb einer Aussparung 42, die in der oberen Fläche des Saugseitenelementes 30 ausgebildet ist, so dass die Klappe 40 mit der Oberfläche des Saugseitenelementes 30 im Wesentlichen bündig abschließt. Die Luftbremsklappe 40 bewegt sich von der eingezogenen Stellung zu einer ausgefahrenen oder offenen Stellung, wie sie in den 3 und 4 angezeigt ist, so dass sich die Luftbremsklappe 40 von dem Saugseitenelement 30 weg quer erstreckt und funktioniert, um die aerodynamische Last auf das Blatt 16 zu verringern, um den Rotor 18 (1) zu verlangsamen oder anzuhalten. Die Luftbremsklappen 40 werden von einem Aktuator 52 (3) betätigt, der die Luftbremsklappe 40 in der eingezogenen Stellung innerhalb der Aussparung 42 in einem energieversorgten Zustand des Aktuators 52 hält. Bei einem Verlust oder Ausfall der Energieversorgung zu dem Aktuator 52, z.B. beim Empfang eines Signals von der Steuereinrichtung 54 oder bei einem Verlust der Energieversorgung zu der Windkraftanlagensystemsteuerung 20, gibt der Aktuator die Luftbremsklappe 40 frei, die sich anschließend in die Offenstellung bewegt, wie dies nachstehend in größeren Einzelheiten erläutert ist.
Bezugnehmend auf 2 kann jedes der Windkraftanlagenblätter 16 eine beliebige Kombination bei diesem eingerichteter Luftbremsklappen 40 aufweisen. Zum Beispiel können die Blätter 16 eine einzige Luftbremsklappe 40 oder eine Reihe von Luftbremsklappen 40 aufweisen, die in Spannweitenrichtung entlang der Vorderkante 32 des Blattes 16 angeordnet sind. Die mehreren Luftbremsklappen 40, die einem einzelnen Blatt 16 zugeordnet sind, können unisono von einer einzigen Steuereinrichtung 54 betätigt werden, oder jede der Luftbremsklappen 40 kann eine zugehörige Steuereinrichtung 54 aufweisen, so dass die Klappen 40 einzeln betätigt werden können.
Verschiedene Ausführungsformen eines Aktuators 52 liegen in dem Umfang und Rahmen der Erfindung. Zum Beispiel kann der Aktuator unter Bezugnahme auf 5 eine beliebige Art eines geeigneten elektrisch gesteuerten, mit Federkraft ausfahrbaren oder ausdehnbaren Aktuators 56 sein. Diese Aktuatorarten (wie auch mit Federkraft einfahrbare bzw. zusammenziehbare Aktuatoren) sind allgemein bekannt und kommerziell verfügbar und brauchen hierin im Einzelnen nicht näher beschrieben zu werden. Allgemein enthalten diese mit Federkraft ausfahrbaren Aktuatoren eine innere Feder 58, die in einem mit Energie versorgten Zustand des Aktuators 56 zusammengezogen ist. Bei einem Verlust der Energieversorgung zu dem Aktuator 56 löst die Feder 58 aus und dehnt sich aus. Die Feder 58 ist mit irgendeiner Art einer geeigneten Übertragungseinrichtung, beispielsweise einer Stange 60, gekoppelt, die mit der Luftbremsklappe 40 über ein geeignetes Stangenschwenkgelenk 84 gekoppelt ist.
Es sollte erkannt werden, dass in einer alternativen Konfiguration auch ein herkömmlicher mit Federkraft einziehbarer Aktuator mit Gestängen eingerichtet sein kann, die eine Übertragung einer Bewegung zu der Luftbremsklappe 40 bewirken, um die Klappe 40 beim Zusammenziehen der Feder 58 in die in 5 angezeigte Offenstellung zu überführen.
6 zeigt eine Ausführungsform eines Aktuators 52, bei der eine elektrisch gesteuerte Sperre bzw. Verriegelung 62 dazu eingerichtet ist, die Stange 60 mit der Luftbremsklappe 40 in der eingezogenen Stellung zu halten. Die Sperre 62 kann z.B. ein Elektromagnet 64 sein, der, wenn er erregt wird, ein an der Stange 60 angebrachtes Basiselement 66 anzieht und hält. Nach dem Abschalten bzw. Entregen des Elektromagneten 64 wird die Sperre 62 freigegeben, und die Luftbremsklappe 40 kann sich frei in die Offenstellung bewegen.
Weiterhin bezugnehmend auf 6 kann es in manchen Ausführungsformen erwünscht sein, ein Vorspannelement 68 aufzunehmen, das dazu dient, der Luftbremsklappe 40 ein anfängliches Maß einer Bewegung in Richtung auf die Offenstellung zu verleihen. Wenn z.B. die Sperre 62 die Stange 60 freigibt, bewegt das Vorspannelement 68, das eine beliebige Art einer geeigneten Feder, einer nachgiebigen Klappe, eines mechanischen Aktuators, eines pneumatischen Aktuators und dergleichen sein kann, das freie Ende 44 der Luftbremsklappe 40 aus der Aussparung 42 heraus bis zu einem derartigen Ausmaß, dass eine Luftströmung über dem Saugseitenelement 30 (wie sie durch die Pfeile in 6 angezeigt ist) auf die Unterseite 50 der Luftbremsklappe 40 auftrifft und die Luftbremsklappe 40 in die Offenstellung zwingt.
In der Ausführungsform nach 6 ist ferner bei dem Aktuator 52 eine Rückstellfeder 70 enthalten. Diese Feder 70 dient dazu, eine Rückstellkraft für die Stange 60 und die Basis 66 bereitzustellen, so dass nach Anhalten oder Verlangsamen des Rotors bis zu einem hinreichenden Grad, bei dem die Luftströmung über dem Saugseitenelement 30 relativ vernachlässigbar ist, die Feder 70 eine hinreichende Kraft aufweist, um die Stange 60 und die Basis 66 zurück in Kontakt mit dem Elektromagneten 64 zu überführen, wodurch die Sperre 62 erneut mit Energie versorgt werden kann, um die Luftbremsklappe 40 in der eingezogenen Stellung erneut zu verriegeln.
Obwohl es bei der Ausführungsform nach 6 (und 8 und 9) dargestellt ist, sollte erkannt werden, dass das Vorspannelement 68 bei einer beliebigen der hierin beschriebenen Ausführungsform eines Aktuators 52 verwendet werden kann.
In der Ausführungsform nach 7 enthält der Aktuator 52 ein Vorspannelement 68 in Form einer Feder, die innerhalb des Aktuators eingerichtet ist, um auf die Stange 60 einzuwirken. Diese Ausführungsform kann z.B. eine beliebige Art einer mechanischen oder elektrischen Sperre bzw. Verriegelung enthalten, die bei einem Verlust der Energieversorgung die Stange 60 freigibt. Die Vorspannfeder 68 liefert dann eine Anfangskraft für die Stange 60, um die Luftbremsklappe 40 in eine derartige Position zu überführen, dass eine Luftströmung über dem Saugseitenelement 30 unter die Klappe 40 „eingreift“ und die Klappe 40 in die vollkommen offene Stellung überführt. Die Rückstellfeder 70 weist eine hinreichende Kraft auf, um die Kraft der Vorspannfeder 68 zu überwinden, wenn das Blatt 60 sich verlangsamt oder angehalten hat.
Erneut bezugnehmend auf 6 kann jede beliebige der hierin beschriebenen Ausführungsformen der Luftbremsklappe 40 ferner ein Stoppseil 80 enthalten, das auf einer Unterseite 50 der Klappe 40 eingerichtet und an einem Stoppblock 82 innerhalb des inneren Hohlraums 36 des Blattes 16 angebracht ist. Das Seil 80 definiert das Ausmaß der relativen Bewegung der Klappe 40 in Bezug auf das Saugseitenelement 30 und kann mit hinreichender Stärke ausgelegt sein, um so die Belastung von dem Aktuator 52 und der Stange 60 wegzunehmen oder zu verringern, die ansonsten erforderlich sein würde, um die Klappe 40 gegen die Kraft der Luftströmung über dem Saugseitenelement 30 zu halten. Somit muss der Aktuator 52 in dieser Konfigurationsart nur ausgelegt sein, um die Luftbremsklappe 40 in eine Position zu überführen, in der die Luftströmung über dem Saugseitenelement 30 die Klappe 40 ergreift und die Klappe öffnet. Das Stoppseil 80 (das ein Kabel oder ein anderes ähnliches Element sein kann) hält die Klappe 40 in einer statischen Offenstellung gegen die Kraft der Luftströmung ungeachtet der Stärke oder Robustheit des Aktuators 52, was einen deutlich kostengünstigeren Aktuator 52 ermöglicht.
Die Ausführungsform in 8 zeigt einen Aktuator 52, der ein Kabel oder Seil 72 verwendet, das an der Untersite 50 der Kappe 40 befestigt und auf einer elektrisch gesteuerten Kupplung 74 angebracht ist. Die Kupplung 74 kann durch die Steuereinrichtung 54 mit Energie versorgt werden, um das Seil 72 aufzuwickeln, und zieht auf diese Weise die Klappe 40 in die eingezogene Stellung innerhalb der Aussparung 42 gegen das Vorspannelement 68. Bei einem Verlust der Energieversorgung läuft die Kupplung 74 frei und ermöglicht dem Seil 72 sich abzuwickeln. Das freie Ende 44 der Klappe 40 wird durch die Kraft des Vorspannelementes 68 in den Luftstrom über dem Saugseitenelement 30 hinein bewegt, wodurch die Luftströmung über dem Saugseitenelement 30 anschließend die Klappe 40 und das angebrachte Seil 72 in die Offenstellung überführt.
9 zeigt eine Ausführungsform, in der der Aktuator ein Formgedächtnis-Federaktuator 76 ist. Diese Bauart von Aktuatoren 76 verwendet eine Formgedächtnisfeder 78, die im energieversorgten Zustand dicht gewickelt oder eng gewunden ist. Bei einem Verlust der Energieversorgung für die Feder 78 löst die Feder und dehnt sich aus. Die Feder 78 kann bei der Stange 60 derart eingerichtet sein, dass eine Ausdehnung der Feder 78 die Luftbremsklappe 40 veranlasst, sich zu der Offenstellung zu bewegen, wie dies oben erläutert ist. Formgedächtnisfedern und zugehörige Aktuatoren sind in der Technik bekannt und kommerziell erhältlich und brauchen hierin nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben zu werden.
10 und 11 zeigen eine Ausführungsform einer Luftbremsklappe 40 und eines zugehörigen Aktuators 52, wobei die Luftbremsklappe 40 in Bezug auf die Oberfläche des Saugseitenelementes 30 vertikal ausfahrbar ist. Die Luftbremsklappe 40 weist ein oberes Ende 88 auf, das in der eingezogenen Stellung der Luftbremsklappe 40 mit dem Saugseitenelement 30 bündig abschließend eingelassen ist. In dieser Stellung erstreckt sich die Klappe 40 in den inneren Hohlraum 36 des Blattes hinein und wird nach Auslösen des Aktuators 52 zu der ausgefahrenen transversalen Position überführt, wie sie in den 10 und 11 angezeigt ist.
Weiterhin bezugnehmend auf die 10 und 11 kann der Aktuator 52 für die vertikal ausgefahrene Luftbremsklappe 40 auf verschiedene Weise konfiguriert sein, wie dies oben erläutert ist. Zum Beispiel kann der Aktuator 52 in der Ausführungsform nach 10 als ein Formgedächtnis-Federaktuator 76 konfiguriert sein, wie dies oben in Bezug auf die Ausführungsformen nach 9 erläutert ist.
In der Ausführungsform nach 11 kann der Aktuator 52 als ein mit Federkraft ausfahrbarer/ausdehnbarer Aktuator eingerichtet sein, der eine Feder 58, um die Stange 60 und die befestigte Klappe 40 in die ausgefahrene Stellung zu überführen, sowie eine elektrische Sperre bzw. Verriegelung 62 verwendet, wie oben in Bezug auf die Ausführungsform nach 6 beschrieben. Diese Ausführungsform kann ferner eine beliebige Art eines Antriebsmechanismus 90 enthalten, der eine Zahnradanordnung, einen Motor und dergleichen sein kann und der funktioniert, um die Stange 60 und die angebrachte Klappe 40 nach einer anschließenden Wiederversorgung des Aktuators 52 mit Energie in die eingezogene Stellung zurückzubringen, in der die Basis 66 mit dem Elektromagneten 64 in Eingriff steht.
Es sollte verstanden werden, dass der Rückstellantriebmechanismus 90, wie er in 11 dargestellt ist, bei jeder beliebigen der vorstehend erläuterten Ausführungsformen aufgenommen werden kann. Zum Beispiel kann ein Rückstellantriebsmechanismus 90 bei der Ausführungsform nach 5 eingerichtet sein, um den mit Federkraft ausfahrbaren Aktuator 56 durch Rückstellen der Stange 60 gegen die Kraft der Feder 58 zurückzusetzen.
Es sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung ferner eine beliebige Art einer Windkraftanlage 10 (1) umfasst, die ein oder mehrere Windkraftanlagenblätter 16 mit einer oder mehreren Luftklappen 40, wie hierin erläutert, umfasst.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens zur gesteuerten Abschaltung einer Windkraftanlage unter Notfall- oder beschleunigten Prozeduren unter Verwendung der Luftbremsklappen und Ausfallsicherungsaktuatoren, wie sie vorstehend beschrieben sind. Im Allgemeinen wird eine Windkraftanlage auf eine kontrollierte oder gesteuerte Art und Weise mittels des Anstellwinkelsteuersystems abgeschaltet, wobei die Blätter in eine neutrale Position in Segelstellung gebracht werden, um die Rotornabe zum Halten zu bringen, woraufhin im Allgemein eine mechanische Bremse auf die Hauptrotorwelle angewandt wird. Es kann jedoch bestimmte Betriebsbedingungen geben, die eine mehr beschleunigte oder „Notfall“-Abschaltung der Windkraftanlage erfordern. Eine Verwendung der Bremsklappen an den Windkraftanlagenblättern und der Ausfallsicherungsaktuatoren, wie sie hierin beschrieben sind, ist in dieser Situation besonders nützlich.
Bezugnehmend auf 12 kann das Verfahren 100 ein Erfassen einer beliebigen einzelnen oder einer Kombination von Betriebsbedingungen der Windkraftanlage enthalten, die ein beschleunigtes Abschalten oder ein Notabschalten in anderer Weise als die normale Abschaltung durch Anstellwinkelsteuerung der Windkraftanlage erfordert. Zum Beispiel kann ein Anfangsschritt 102 der veranschaulichten Ausführungsform 100 des Verfahrens eine Bestimmung darüber enthalten, ob die Sicherheitssysteme der Windkraftanlage aktiviert bzw. wirksam sind oder nicht. Eine Windkraftanlage ist im Allgemeinen mit bestimmten Sicherheitseinrichtungen oder -merkmalen versehen, die bestimmte Bedingungen überwachen und in dem Fall, dass eine oder mehrere der Bedingungen erfüllt sind, eine Abschaltung der Windkraftanlage initiieren. Zum Beispiel kann das Windkraftanlagensicherheitssystem ein Abbremsen der Windkraftanlage bei einer Übergeschwindigkeit des Rotors oder Generators, einer übermäßigen Vibration, einem Ausfall des Anstellsteuersystems oder einem Ausfall des Windkraftanlagensteuersystems auslösen. Das Sicherheitssystem enthält im Allgemeinen einen einzelnen oder redundante Pfade oder „Sicherheitsketten“ zur Initiierung einer Abschaltung der Windkraftanlage unter einer beliebigen einzelnen dieser Bedingungen. Der Schritt 102 kann eine Überwachung des Status dieser Sicherheitsketten und in dem Fall eines Fehlers bzw. Ausfalls einer oder mehrerer der Ketten (was eine Inaktivität oder Unwirksamkeit eines Aspektes des Sicherheitssystems anzeigt) ein Anwenden der Ausfallsicherungsbremsklappen in Schritt 110 durch Unterbrechung der Energieversorgung für die Ausfallsicherungsaktuatoren beinhalten.
Das Verfahren 100 kann im Schritt 104 ein Erfassen enthalten, ob das Anstellwinkelsteuersystem der Windkraftanlage funktionsfähig ist oder nicht. Falls eine Feststellung getroffen wird, dass das Anstellwinkelsteuersystem nicht funktionsfähig ist, kann anschließend eine kontrollierte Abschaltung der Windkraftanlage durch Anwenden der Ausfallsicherungsbremsklappen in Schritt 110 initiiert werden.
In Schritt 106 wird eine Feststellung getroffen, ob ein Abschaltsystem für die Windkraftanlage von dem Hauptsteuerungssystem der Windkraftanlage erzeugt worden ist. Falls ein derartiges System (aus irgendeinem Grund) erzeugt worden ist, kann die Windkraftanlage anschließend durch Anwenden der Ausfallsicherungsbremsklappen in Schritt 110 auf beschleunigte Weise abgeschaltet werden.
Ein weiterer Betriebszustand, der überwacht werden kann, ist die Verfügbarkeit des Netzes im Schritt 108. Ein Verlust des stromabwärts befindlichen elektrischen Netzes (was in effektiver Weise die Fähigkeit der Windkraftanlage, Leistung in das Netz einzuspeisen, umfasst) ist ein weiterer Zustand, der eine beschleunigte oder Notabschaltung der Windkraftanlage im Schritt 110 erfordern kann. Außerdem kann die Windkraftanlage Leistung von dem Netz für bestimmte Betriebsfunktionen, wie beispielsweise die Anstellwinkelsteuerung, empfangen, wobei ein Verlust des elektrischen Netzes einen Verlust oder Ausfall dieser Funktionen zur Folge hat. Ein Ausfall der Anstellwinkelsteuerung aufgrund eines Verlustes des elektrischen Netzes kann ein Zustand sein, der eine Betätigung der Ausfallsicherungsbremsklappen erfordert.
Weiterhin bezugnehmend auf 12 kann erkannt werden, dass für den Fall, dass all die in den Schritten 102, 104, 106 und 108 veranschaulichten Bedingungen erfüllt sind, der Betrieb der Windkraftanlage anschließend im Schritt 112 mit einer normalen Anstellwinkelsteuerung der Windkraftanlagenblätter über das Anstellwinkelsteuersystem der Windkraftanlage fortgesetzt werden kann.
Eine oder mehrere der Ausführungsformen 100 des Verfahrens können zusätzliche Schritte enthalten, nachdem die Windkraftanlage durch Anwendung der Bremsklappen zum Halt gebracht worden ist. Zum Beispiel kann im Schritt 114 eine Bestimmung vorgenommen werden, ob der Windkraftanlagenrotor zu einem Halt oder einer sicheren Leerlaufdrehzahl gebracht worden ist oder nicht. Unter bestimmten Bedingungen braucht die Turbine nicht vollständig angehalten zu werden, sondern kann zu einer Leerlaufdrehzahl gebracht werden, bis die Blätter nach einer Rückkehr des Anstellwinkelsteuersystems in eine Abschaltposition in Segelstellung gebracht werden können. Falls der Turbinenrotor noch nicht angehalten / in den Leerlauf gebracht worden ist, wird ein derartiger Zustand anschließend im Schritt 112 fortdauernd überwacht, bis festgestellt worden ist, dass der Rotor angehalten worden ist. Sobald der Rotor angehalten worden ist, schreitet das Verfahren anschließend zum Schritt 124 fort, der nachstehend erläutert ist.
Zusätzlich zu einer Erfassung des Anhaltens des Turbinenrotors wird im Schritt 116 eine Bestimmung darüber vorgenommen, ob das Netz für die Windkraftanlage zur Verfügung steht oder nicht. Dieser Zustand wird im Schritt 122 fortwährend überwacht. Falls das Netz verfügbar ist, fährt das Verfahren anschließend mit Schritt 118 fort, in dem eine Bestimmung vorgenommen wird, ob die Blätter mit dem Anstellwinkelsteuersystem in Segelstellung gebracht werden können oder nicht. Falls diese Bedingung erfüllt werden kann, fährt das Verfahren anschließend mit Schritt 124 fort.
Der Schritt 124 ermittelt die Erfüllung von zwei Bedingungen: ob der Turbinenrotor zum Halt gebracht worden ist, wie in Schritt 114 angegeben, und ob die Blätter in eine neutrale Position in Segelstellung gebracht worden sind oder nicht. Diese Bedingungen werden im Schritt 126 überwacht, bis sie erfüllt sind. Sobald die Bedingungen erfüllt sind, wird die Turbine im Schritt 128 in einen Abschaltzustand versetzt (der eine Anwendung einer mechanischen Bremse umfassen kann).
Obwohl dies in 12 nicht dargestellt ist, sollte erkannt werden, dass die ausfallsichere Bremsenfunktionalität, wie sie hierin beschrieben ist, periodisch getestet werden kann. Zum Beispiel kann das System nach jedem Start der Windkraftanlage überprüft werden. Das System kann ferner gemäß einem festgesetzten Schema während eines Betriebs der Windkraftanlage, z.B. nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden, getestet werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Ein Verfahren zum Abschalten einer Windkraftanlage, die ein oder mehrere Windkraftanlagenblätter aufweist, enthält ein Erfassen einer Betriebsbedingung der Windkraftanlage, die eine beschleunigte Abschaltung oder eine Notabschaltung der Windkraftanlage auf eine andere Weise als durch eine normale Abschaltung durch Anstellwinkelsteuerung erfordert. Bei Erfassung der Betriebsbedingung wird eine oder werden mehrere Luftbremsklappen, die an jedem der Windkraftanlagenblätter eingerichtet sind, durch Unterbrechung der Energieversorgung für einen Ausfallsicherungsaktuator, der mit jeder der Luftbremsklappen betriebsmäßig verbunden ist, ausgefahren. Der Ausfallsicherungsaktuator ist konfiguriert, um in einem energieversorgten Zustand des Ausfallsicherungsaktuators die jeweilige Luftbremsklappe in einer eingezogenen Stellung in Bezug auf eine Saugseite des Windkraftanlagenblattes zu halten und um bei Verlust bzw. Wegfall der Energieversorgung für den Ausfallsicherungsaktuator die Luftbremsklappe für ein automatisches Ausfahren zu einer Offenstellung freizugeben.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Gondel
16: Blätter
18: Nabe/Rotor
20: Turbinensteuersystem
22: Sensoren
24: Steuer-/Stromleitungen
26: Steuer-/Stromleitungen
28: Druckseite
30: Saugseite
32: Vorderkante
34: Hinterkante
36: Innerer Hohlraum
38: Innerer Hohlraum
40: Luftbremsklappe
42: Aussparung
44: Freies Ende
46: Gelenkig gelagertes Endes
48: Gelenk
50: Unterseite
52: Aktuator
54: Steuerungseinrichtung
56: Mit Federkraft ausfahrbarer Aktuator
58: Feder
60: Stange
62: Sperre, Verriegelung
64: Elektromagnet
66: Stangenbasis
68: Vorspannelement
70: Rückstellfeder
72: Kabel, Seil
74: Kupplung
76: Formgedächtnis-Federaktuator
78: Formgedächtnisfedern
80: Stoppseil
82: Stoppblock
84: Stangengelenk
86: Aktuatorgelenk
88: Oberes Ende der Luftbremsklappe
90: Antriebsmechanismus
100: Verfahren zum Abschalten
102–128: Schritte des Verfahrens zum Abschalten

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

US 4692095 [0005]

Claims

Verfahren zum Abschalten einer Windkraftanlage, die ein oder mehrere Windkraftanlagenblätter aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen einer Betriebsbedingung der Windkraftanlage, die eine beschleunigte Abschaltung oder eine Notabschaltung der Windkraftanlage auf andere Weise als durch normale Abschaltung durch Anstellwinkelsteuerung erfordert; und nach Erfassung der Betriebsbedingung Ausfahren einer oder mehrerer Luftbremsklappen, die an jedem der Windkraftanlagenblätter eingerichtet sind, durch Unterbrechung der Energieversorgung für einen Ausfallsicherungsaktuator, der mit jeder der Luftbremsklappen betriebsmäßig verbunden ist, wobei der Ausfallsicherungsaktuator eingerichtet ist, um die jeweilige Luftbremsklappe in einem energieversorgten Zustand des Ausfallsicherungsaktuators in einer eingezogenen Stellung in Bezug auf eine Saugseite des Windkraftanlagenblattes zu halten und um die Luftbremsklappe bei einem Verlust der Energieversorgung für den Ausfallsicherungsaktuator für ein automatisches Ausfahren in eine Offenstellung freizugeben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erfasste Betriebszustand anzeigt, dass ein bei der Windkraftanlage betriebsmäßig eingerichtetes Sicherheitssystem nicht wirksam ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Sicherheitssystem der Windkraftanlage bei einer Übergeschwindigkeit des Rotors oder Generators, einer übermäßigen Vibration, einem Ausfall des Anstellwinkelsteuersystems oder einem Ausfall des Steuerungssystems ein Abbremsen der Windkraftanlage initiiert.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erfasste Betriebsbedingung einen Verlust oder eine Fehlfunktion des bei der Windkraftanlage betriebsmäßig eingerichteten Anstellwinkelsteuersystems anzeigt.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erfasste Betriebsbedingung einen Notabschaltbefehl von einer bei der Windkraftanlage betriebsmäßig eingerichteten Steuerungseinrichtung der Windkraftanlage anzeigt.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Windkraftanlage elektrische Leistung zu einem Netz liefert oder elektrische Leistung von einem Netz empfängt, wobei die erfasste Betriebsbedingung einen Verlust des Netzes anzeigt.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Ausfahren der Luftbremsklappen das Verfahren ferner ein Erfassen, wann der Turbinenrotor angehalten hat und ob die Turbinenblätter mit einer Anstellwinkelsteuerung in eine neutrale Position in Segelstellung gebracht werden können, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei, wenn der Turbinenrotor angehalten hat und eine Anstellwinkelsteuerung verfügbar ist, die Blätter in die neutrale Position in Segelstellung gebracht werden und die Windkraftanlage in einen Abschaltzustand versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Leistung zu den Ausfallsicherungsaktuatoren geliefert wird, um die Luftbremsklappen einzuziehen, nachdem die Windkraftanlage in einen Abschaltzustand versetzt worden ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, das ein Bereitstellen einer anfänglichen Antriebskraft für die Luftbremsklappen nach Unterbrechung der Energieversorgung für die Ausfallsicherungsaktuatoren enthält, um die Luftbremsklappen in eine Anfangsposition in Bezug auf die Saugseite des Turbinenblattes zu überführen, so dass eine Luftströmung über der Saugseite anschließend auf die Luftbremsklappen einwirkt und die Luftbremsklappen in eine vollständig ausgefahrene Stellung überführt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Luftbremsklappen an der Saugseite des Windkraftanlagenblattes schwenkbar montiert sind.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, das ein Bereitstellen einer hinreichenden Antriebskraft für die Luftbremsklappen nach Unterbrechung der Energieversorgung für die Ausfallsicherungsaktuatoren enthält, um die Luftbremsklappen in eine vollständig ausgefahrene Stellung in Bezug auf die Saugseite des Turbinenblattes zu überführen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Luftbremsklappen ein oberes Ende aufweisen, das in der eingezogenen Stellung der Luftbremsklappen mit der Saugseite des Windkraftanlagenblattes bündig abschließend eingelassen ist, wobei die Luftbremsklappen in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung zu der Saugseite des Windkraftanlagenblattes ausgefahren werden können.