DE19802574A1 - Wind power generator plant - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Genera tor und mit einer Turbine und ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage.The invention relates to a wind turbine with a genera Tor and with a turbine and a method for operating a Wind turbine.
In dem Artikel "Development and Design of a Large Wind Tur bine Blade" von M. Hahn und P. Wackerle, 3rd International Symposium on Wind Energy Systems, 26.-29.08.1980, Lymby, Ko penhagen, Dänemark, ist der Aufbau eines großen Rotorblattes einer Windkraftanlage beschrieben. Speziell in Fig. 20 ist ein Heizsystem für dieses Rotorblatt dargestellt, welches durch an der Innenseite des hohlen Rotorblatts angeordnete Kupferstreifen gebildet wird. Durch die Kupferstreifen ist ein elektrischer Strom führbar, welcher das Rotorblatt heizt.In the article "Development and Design of a Large Wind Turbine Blade" by M. Hahn and P. Wackerle, 3rd International Symposium on Wind Energy Systems, August 26-29, 1980, Lymby, Copenhagen, Denmark, is the structure of one large rotor blade of a wind turbine described. Specifically, in Fig. 20, a heating system is shown for this rotor blade, which is formed by arranged on the inside of the hollow rotor blade copper strip. An electrical current can be conducted through the copper strips, which heats the rotor blade.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Windkraftanlage. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer Windkraftanlage.The object of the invention is to provide a wind turbine. Another object of the invention is to provide a method to operate a wind turbine.
Erfindungsgemäß wird die auf Angabe einer Windkraftanlage ge richtete Aufgabe gelöst durch eine Windkraftanlage, mit einem Generator und mit einer Turbine, die mindestens ein Rotor blatt aufweist, wobei ein teilweise im Inneren des Rotorblat tes verlaufender Strömungsweg an der Oberfläche des Rotor blattes an einer Mündung mündet und wobei durch den Generator Wärme auf einen in dem Strömungsweg erzeugbaren Luftstrom übertragbar ist.According to the ge on a wind turbine task solved by a wind turbine, with a Generator and with a turbine that has at least one rotor has a blade, a partially inside the rotor blade tes running flow path on the surface of the rotor leaf opens at a mouth and being through the generator Heat on an air flow that can be generated in the flow path is transferable.
Diese Ausgestaltung bietet gleich zwei erhebliche Vorteile:
This configuration offers two significant advantages:
- 1. Für den Generator der Windkraftanlage wird ein leistungs fähiges Kühlsystem bereitgestellt. Dies geschieht unter der Ausnutzung einer großen Staudruckdifferenz, die zwischen der Mündung an der Oberfläche des Rotorblatts und der Umgebung der Windkraftanlage bei einer Rotation des Rotorblatts ent steht. Diese Staudruckdifferenz entsteht durch eine Saugwir kung an der Mündung durch den das Rotorblatt umströmenden Wind. An einer geeigneten Stelle der Windkraftanlage wird Um gebungsluft angesaugt. Diese wird unter Ausnutzung der Druck differenz durch das Rotorblatt oder die Rotorblätter bis zu der Mündung an der Oberfläche des Rotorblatts geführt. Auf diese Weise kann ein Luftstrom mit einem großen Volumenstrom erzeugt werden. Der Luftstrom wird zur Kühlung des Generators genutzt. Der Generator überträgt seine im Betrieb erzeugte Abwärme direkt oder indirekt auf den Luftstrom. Der große Vo lumenstrom führt dabei zu einer besonders hohen Kühlleistung.1. A power is used for the generator of the wind turbine capable cooling system provided. This happens under the Exploitation of a large dynamic pressure difference between the Muzzle on the surface of the rotor blade and the environment ent of the wind turbine during a rotation of the rotor blade stands. This dynamic pressure difference results from a suction wire kung at the mouth by the flowing around the rotor blade Wind. At a suitable point in the wind turbine, Um ambient air sucked in. This is taking advantage of the pressure difference by the rotor blade or the rotor blades up to the mouth on the surface of the rotor blade. On this allows an air flow with a large volume flow be generated. The airflow is used to cool the generator utilized. The generator transmits its generated during operation Waste heat directly or indirectly on the air flow. The big vo lumen flow leads to a particularly high cooling capacity.
- 2. Gerade in der kalten Jahreszeit bereitet häufig eine Ver eisung der Rotorblätter an der Windkraftanlage erhebliche Probleme. Die durch eine solche Vereisung auftretenden Un wuchten und Wirkungsgradeinbußen beeinträchtigen die Be triebssicherheit und den Ertrag der Windkraftanlage. Dem wurde bisher - wie oben zitiert - in der Regel durch eine elektrische Rotorblattheizung begegnet. Die Erfindung zeigt nunmehr einen besonders einfachen und kostengünstigen Weg auf, Rotorblätter einer Windkraftanlage über die sowieso im Betrieb auftretende Abwärme des Windkraftgenerators zu hei zen. Indem der Generator seine Abwärme auf den Luftstrom überträgt, wird also nicht nur eine effiziente Kühlung des Generators bereitgestellt, sondern gleichzeitig mit dem so erwärmten Luftstrom eine Rotorblattheizung erreicht.2. Especially in the cold season a Ver Irons of the rotor blades on the wind turbine considerable Problems. The Un occurring through such icing balancing and loss of efficiency affect the loading drive safety and the yield of the wind turbine. The has so far been - as quoted above - usually by a encountered electrical rotor blade heating. The invention shows now a particularly simple and inexpensive way on, rotor blades of a wind turbine over the anyway in Waste heat from operation of the wind power generator is too hot Zen. By giving the generator its waste heat on the airflow transmits, is not only an efficient cooling of the Generator provided, but at the same time with that heated air flow reaches a rotor blade heater.
Die bei Umströmung einer Gondel erzeugte konventionelle
Staudruckdifferenz, wie es bisher häufig durchgeführt wurde,
liegt im Bereich
The conventional dynamic pressure difference generated when flowing around a gondola, as has been carried out up to now, is in the range
wobei vn die Nenngeschwindigkeit
der Windkraftanlage im Bereich 10-13 m/s ist. An den Mündun
gen im Bereich der Rotorblätter ist die Staudruckdifferenz
dagegen
where v n is the nominal speed of the wind turbine in the range 10-13 m / s. At the mouths in the area of the rotor blades the dynamic pressure difference is against it
wobei ωr die Umfangsge
schwindigkeit an der Mündung im Rotorblatt ist. Diese Stau
druckdifferenz ist erheblich größer. Beispielsweise ist für
eine Windkraftanlage mit der Nennleistung Pn = 1,5 MW, Nenn
geschwindigkeit vn = 13 m/s, Nenndrehzahl nn = 20 U/min und
Rotordurchmesser Drotor = 65 m bei einer Luftdichte von
ρ = 1,128 kg/m3 die konventionelle Staudruckdifferenz
where ωr is the circumferential speed at the mouth in the rotor blade. This back pressure difference is considerably larger. For example, for a wind turbine with the nominal power P n = 1.5 MW, nominal speed v n = 13 m / s, nominal speed n n = 20 rpm and rotor diameter D rotor = 65 m with an air density of ρ = 1.128 kg / m 3 is the conventional dynamic pressure difference
während mit einer Anord
nung im Sinne der Erfindung eine Staudruckdifferenz von
while with an arrangement according to the invention, a dynamic pressure difference of
erzielt wird.achieved becomes.
Bevorzugt ist um das Rotorblatt durch den Wind eine Strömung erzeugbar, die ortsabhängig unterschiedliche Drücke am Rotor blatt aufweist, wobei die Mündung in einem Bereich niedrigen Druckes liegt. Grundsätzlich kann die Mündung an verschiede nen Stellen des Rotorblattes vorgesehen sein. Eine besonders hohe Druckdifferenz und damit ein besonders großer Volumen strom für den erzeugten Luftstrom liegt aber dann vor, wenn die Mündung in einem Bereich eines niedrigen Druckes für die das Rotorblatt umströmende Luftströmung liegt. Vorzugsweise weist das Rotorblatt eine Anströmkante und eine Abströmkante auf, wobei die Mündung an oder in der Nähe der Abströmkante liegt.A flow through the wind is preferred around the rotor blade can be generated, the location-dependent pressures on the rotor has leaf, the mouth in a low area Pressure. Basically, the mouth can be different NEN points of the rotor blade can be provided. A special one high pressure difference and thus a particularly large volume current for the generated air flow is present when the mouth in a low pressure area for the air flow flowing around the rotor blade. Preferably the rotor blade has a leading edge and a trailing edge on, with the mouth at or near the trailing edge lies.
Bevorzugt ist das Rotorblatt an einer Nabe angeordnet und er streckt sich von der Nabe weg entlang einer Achse, wobei die Mündung im letzten Drittel, insbesondere im letzten Viertel des Rotorblattes liegt. An dem der Nabe abgewandten Ende des Rotorblattes liegen die höchsten Geschwindigkeiten für die das Rotorblatt umströmende Luftströmung. Je größer die Strö mungsgeschwindigkeit der das Rotorblatt umströmenden Strömung ist, desto größer ist auch der durch diese Strömung hervorge rufene Saugeffekt. Somit läßt sich durch eine in der Nähe des von der Nabe abgewandten Endes des Rotorblattes liegende Mün dung eine besonders große Druckdifferenz erzielen. The rotor blade is preferably arranged on a hub and it stretches away from the hub along an axis, the Mouth in the last third, especially in the last quarter of the rotor blade. At the end of the Rotor blades are the highest speeds for that air flow flowing around the rotor blade. The larger the currents speed of the flow flowing around the rotor blade is, the greater is the one that is caused by this current called suction effect. Thus, a near the Mun lying away from the hub of the end of the rotor blade achieve a particularly large pressure difference.
Bevorzugt ist die Wärme durch den Generator direkt auf den Luftstrom übertragbar. Wenn der Generator direkt von dem Luftstrom umströmt wird, also z. B. im Strömungsweg angeordnet ist, kann eine besonders effiziente Kühlung erfolgen.The heat from the generator is preferably directly on the Airflow transferable. If the generator is right from that Airflow is flowing around, e.g. B. arranged in the flow path is particularly efficient cooling.
Weiter bevorzugt ist die Wärme vom Generator an einen Wärme tauscher übertragbar, durch welchen Wärmetauscher der Luft strom führt. Damit ist es möglich, die Abwärme des Generators indirekt über einen Wärmetauscher an den Luftstrom abzugeben. Dies ist dann von Vorteil, wenn der Generator vor einem di rekten Einfluß durch den Luftstrom geschützt werden soll, um z. B. eine Korrosion von Generatorteilen zu verhindern. Dies ist insbesondere bei salzhaltiger Luft, z. B. am Meer, von Be deutung.The heat from the generator to heat is further preferred Exchanger transferable through which heat exchanger the air current leads. This makes it possible for the generator's waste heat to be given indirectly to the air flow via a heat exchanger. This is an advantage if the generator is in front of a di right influence should be protected by the air flow in order e.g. B. to prevent corrosion of generator parts. This is especially in salty air, e.g. B. by the sea, from Be interpretation.
Bevorzugtermaßen weist die Windkraftanlage eine Gondel auf, wobei der Strömungsweg zumindest durch einen Teil der Gondel führt. Die Gondel ist ein unter anderem den Generator umge bendes Gehäuse, an dem die Turbine angeordnet ist. Weiter be vorzugt erstreckt sich die Gondel von einem turbinenseitigen Ende bis zu einem turbinenabgewandten Ende, wobei der Strö mungsweg vom turbinenseitigen Ende bis zum turbinenabgewand ten Ende führt. Bevorzugt ist der Generator in der Gondel an geordnet. Der Strömungsweg wird somit durch das Innere des Rotorblatts und durch das Innere der Gondel gebildet. Auf diese Weise müssen keine weiteren Maßnahmen getroffen werden, um den Luftstrom zu führen.The wind turbine preferably has a nacelle, the flow path passing at least part of the gondola leads. Among other things, the nacelle is the generator housing on which the turbine is arranged. Continue to be preferably the nacelle extends from a turbine side End to an end facing away from the turbine, the flow path from the turbine end to the turbine wall leading end. The generator in the nacelle is preferably on orderly. The flow path is thus through the interior of the Rotor blade and formed by the interior of the nacelle. On this way, no further measures need to be taken to guide the airflow.
Erfindungsgemäß wird die auf Angabe eines Verfahrens gerich tete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage, mit einem Generator und mit einer Turbine mit mindestens einem Rotorblatt, wobei durch Abwärme des Ge nerators ein Luftstrom erwärmt wird, welcher durch das Innere des Rotorblatts und über eine Mündung an der Oberfläche des Rotorblatts in die Umgebung geleitet wird. According to the invention, the court is given a method solved problem by a method for operating a Wind turbine, with a generator and with a turbine with at least one rotor blade, wherein by waste heat from the Ge nerators an air flow is heated, which through the interior of the rotor blade and via a mouth on the surface of the Rotor blade is conducted into the environment.
Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entspre chend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen einer Wind kraftanlage.The advantages of such a method arise accordingly according to the above explanations about the advantages of a wind power plant.
Bevorzugt wird der Luftstrom über mindestens zwei Drittel, insbesondere drei Viertel der Länge des Rotorblatts geleitet. Weiter bevorzugt wird die Abwärme des Generators auf ein fluides Wärmetauschmittel und von diesem anschließend auf den Luftstrom übertragen.The air flow is preferred over at least two thirds, in particular three quarters of the length of the rotor blade. The waste heat of the generator is further preferred fluid heat exchange medium and from this to the Transfer airflow.
Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in an exemplary embodiment Drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine schematisch und perspektivisch dargestellte Windkraftanlage, Fig. 1 shows a wind power plant schematically shown in perspective,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Windkraftanlage in schematischer Darstellung, Fig. 2 is a longitudinal section through a wind turbine in a schematic representation;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Aufbaus eines Rotorblatts, und Fig. 3 is a perspective view of the structure of a rotor blade, and
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Rotorblatt. Fig. 4 shows a cross section through a rotor blade.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.The same reference numerals have in the different figures same meaning.
In Fig. 1 ist schematisch in perspektivischer Darstellung eine Windkraftanlage 1 gezeigt. Auf einem Turm 31 ist eine Gondel 20 angeordnet. In der Gondel 20 ist ein Generator 2 angeordnet. An der Gondel 20 ist eine Turbine 3 angeordnet. Die Turbine 3 weist eine Nabe 14 auf. An der Nabe 14 sind drei zueinander jeweils um 120° beabstandete Rotorblätter 4 angeordnet. Jedes Rotorblatt 4 weist eine Oberfläche 6 auf und erstreckt sich von der Nabe 14 zu einem der Nabe abge wandten Ende 4A entlang einer Achse 15. Die Turbine 3 ist in einem Drehsinn 33 um eine Turbinenachse 3A drehbar. Entspre chend diesem Drehsinn 33 weist jedes Rotorblatt 4 eine An strömkante 11 und eine Abströmkante 12 auf. In der Nähe der Abströmkante 12 ist im letzten Viertel jedes Rotorblattes 4 eine Mündung 7 vorgesehen. An dieser Mündung 7 mündet ein im Inneren des Rotorblatts 4 verlaufender Strömungsweg 5. Der Strömungsweg 5 erstreckt sich weiterhin von einem turbinen seitigen Ende 21 der Gondel 20 bis zu einem turbinenabgewand ten Ende 22 der Gondel 20. Am turbinenabgewandten Ende 22 ist eine Öffnung 32 vorgesehen.In Fig. 1, a wind turbine 1 is shown schematically in perspective. A gondola 20 is arranged on a tower 31 . A generator 2 is arranged in the nacelle 20 . A turbine 3 is arranged on the nacelle 20 . The turbine 3 has a hub 14 . Three rotor blades 4 , each spaced 120 ° apart, are arranged on the hub 14 . Each rotor blade 4 has a surface 6 and extends from the hub 14 to an end facing away from the hub 4 A along an axis 15 . The turbine 3 can be rotated in a direction of rotation 33 about a turbine axis 3 A. Accordingly, this direction of rotation 33 , each rotor blade 4 has a leading edge 11 and a trailing edge 12 . In the vicinity of the trailing edge 12 , an orifice 7 is provided in the last quarter of each rotor blade 4 . A flow path 5 running in the interior of the rotor blade 4 opens at this mouth 7 . The flow path 5 continues to extend from a turbine-side end 21 of the nacelle 20 to a turbine end 22 of the nacelle 20th An opening 32 is provided at the end 22 facing away from the turbine.
Im Betrieb der Windkraftanlage 1 dreht sich durch Wind ange trieben die Turbine 3 im Drehsinn 33. Durch die an jedem Ro torblatt entlangströmende Luftströmung wird an jeder Mündung 7 ein Unterdruck erzeugt. Durch diesen Unterdruck ergibt sich ein Druckgefälle zwischen jeder Mündung 7 und der Öffnung 32 an der Gondel 20. Dadurch wird an der Öffnung 32 Umgebungs luft angesaugt, welche über den Strömungsweg 5 durch die Gon del 20 und durch das Innere jedes Rotorblatts 4 bis zur Mün dung 7 strömt. Diese Luftströmung 8 umströmt auch den in der Gondel 20 angeordneten Generator 2. Dabei kühlt der Luftstrom 8 den Generator 2, indem er die vom Generator 2 erzeugte Ab wärme 18 aufnimmt. Aufgrund einer hohen Staudruckdifferenz zwischen den Mündungen 7 und der Öffnung 32 ist ein hoher Vo lumenstrom für den Luftstrom 8 erzeugbar. Damit ergibt sich eine besonders hohe Kühlleistung für den Generator 2.In operation of the wind turbine 1 rotates driven by wind, the turbine 3 in the direction of rotation 33rd Due to the air flow flowing along each rotor blade, a negative pressure is generated at each mouth 7 . This negative pressure results in a pressure drop between each mouth 7 and the opening 32 on the nacelle 20 . As a result, ambient air is sucked in at the opening 32 , which flows via the flow path 5 through the gon del 20 and through the interior of each rotor blade 4 to the mouth 7 . This air flow 8 also flows around the generator 2 arranged in the nacelle 20 . The air flow 8 cools the generator 2 by absorbing the heat 18 generated by the generator 2 . Due to a high dynamic pressure difference between the mouths 7 and the opening 32 , a high volume flow for the air stream 8 can be generated. This results in a particularly high cooling capacity for the generator 2 .
Gleichzeitig mit der effizienten Kühlung des Generators 2 werden die Rotorblätter 4 durch den Luftstrom 8 erwärmt, wo bei der Luftstrom 8 seinerseits durch Abwärme 18 des Genera tors erwärmt wird. Diese Abwärme 18 wird vom Luftstrom 8 auf jedes Rotorblatt 4 übertragen. Damit wird eine konstruktiv sehr einfache Möglichkeit bereitgestellt, die Rotorblätter 4 zu heizen und damit weitgehend eisfrei zu halten.Simultaneously with the efficient cooling of the generator 2 , the rotor blades 4 are heated by the air stream 8 , where the air stream 8 in turn is heated by waste heat 18 of the generator. This waste heat 18 is transferred from the air flow 8 to each rotor blade 4 . This provides a structurally very simple possibility of heating the rotor blades 4 and thus keeping them largely ice-free.
In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Windkraftanlage 1 gezeigt, die im wesentlichen der Windkraftanlage 1 aus Fig. 1 entspricht. Allerdings ist für den Generator 2 eine indi rekte Kühlung vorgesehen. Diese geschieht dadurch, daß der Generator 2 die Abwärme 18 an ein Kühlmittel 23 eines Wärme tauschers 19 abgibt. Der Luftstrom 8 durchströmt den Wärme tauscher 19 und nimmt dabei die vom Generator 2 abgegebene Abwärme 18 auf. Diese indirekte Kühlung ermöglicht es insbe sondere, den Generator von einem direkten Einfluß durch den Luftstrom 8 getrennt zu halten. Dies verringert eine mögliche Korrosion von Generatorteilen. FIG. 2 shows a longitudinal section through a wind turbine 1 , which essentially corresponds to the wind turbine 1 from FIG. 1. However, indi rect cooling is provided for the generator 2 . This is done in that the generator 2 emits the waste heat 18 to a coolant 23 of a heat exchanger 19 . The air stream 8 flows through the heat exchanger 19 and thereby absorbs the waste heat 18 emitted by the generator 2 . This indirect cooling makes it possible in particular to keep the generator separate from direct influence by the air flow 8 . This reduces possible corrosion of generator parts.
Fig. 3 zeigt perspektivisch den Aufbau eines Rotorblattes 4. Das Rotorblatt 4 erstreckt sich von einer Nabe 14 entlang ei ner Achse 15. Es weist eine Länge L auf. Entlang der Achse 15 sind parallel zueinander Profilelemente 30 angeordnet. Die Profilelemente 30 bestimmen die Blattgeometrie des Rotorblat tes 4. Das Rotorblatt 4 ist im wesentlichen hohl ausgebildet. Es weist eine Anströmkante 11 und eine Abströmkante 12 auf. Im letzten Viertel 4/4 L des Rotorblatts 4 ist in der Nähe der Abströmkante 12 eine Mündung 7 vorgesehen. An dieser Mün dung 7 mündet der Strömungsweg 5. Wie zu den Fig. 1 und 2 erläutert, wird ein Luftstrom 8 vom Generator 2 erwärmt und durch das Innere des Rotorblattes 4 entlang des Strömungswegs 5 zur Mündung 7 geführt. Dort tritt der Luftstrom 8 in die Umgebung aus. Fig. 3 shows in perspective the construction of a rotor blade 4. The rotor blade 4 extends from a hub 14 along an axis 15 . It has a length L. Profile elements 30 are arranged parallel to one another along the axis 15 . The profile elements 30 determine the blade geometry of the rotor blade 4 . The rotor blade 4 is essentially hollow. It has a leading edge 11 and a trailing edge 12 . In the last quarter 4/4 L of the rotor blade 4 is provided in the vicinity of the trailing edge 12, a mouth. 7 At this Mün extension 7 , the flow path 5 opens. As explained in connection with FIGS. 1 and 2, an air stream 8 is heated by the generator 2 and guided through the interior of the rotor blade 4 along the flow path 5 to the mouth 7 . There the air flow 8 emerges into the environment.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Rotorblatt 4. Bei Rotation einer Turbine 3, der das Rotorblatt 4 zugeordnet ist, umströmt eine Luftströmung 35 das Rotorblatt 4. Entlang der Oberfläche 6 des Rotorblatts 4 ergeben sich an unter schiedlichen Positionen unterschiedliche Drücke 10a, 10b, 10c und 10d. Die Mündung 7 des Strömungswegs 5 liegt nun bei ei nem niedrigen Druck 10c, in der Nähe der Abströmkante 12. Da mit wird ein besonders großes Druckgefälle zwischen der Mün dung 7 und der Öffnung 32 (siehe Fig. 1) erreicht. Dies hat wiederum einen hohen Volumenstrom des Luftstroms 8 und damit eine hohe Kühlleistung zur Folge. Fig. 4 shows a cross section through a rotor blade 4. When a turbine 3 , to which the rotor blade 4 is assigned, rotates, an air flow 35 flows around the rotor blade 4 . Along the surface 6 of the rotor blade 4 there are different pressures 10 a, 10 b, 10 c and 10 d at different positions. The mouth 7 of the flow path 5 is now at a low pressure 10 c, near the trailing edge 12 . Since with a particularly large pressure drop between the Mün extension 7 and the opening 32 (see Fig. 1) is achieved. This in turn results in a high volume flow of the air flow 8 and thus a high cooling capacity.
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