STROMÜBERTRAGUNGSEINRICHTUNG FÜR EINE WINDKRAFTANLAGE

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Wind¬ kraftgenerator der einen Stator und einen Rotor aufweist und mit einer Stromübertragungseinrichtung zur zumindest zeitwei¬ sen Speisung einer Wicklung des Rotors.

Zur Stromübertragung zwischen feststehendem und rotierendem Teil einer rotierenden elektrischen Maschine dienen Schleif¬ ringanordnungen. Polräder und Turboläufer erhalten zur Gleichstromübertragung zwei Schleifringe. Induktionsmaschinen mit Schleifringläufern erhalten je nach Stromart zwei oder drei Schleifringe. Jeder Ring wird mit einem sicheren elekt¬ rischen Anschluss für die Wicklung des Rotors versehen und gemeinsam mit den übrigen Ringen auf einen Tragkörper positi¬ oniert. In jedem Fall sind die Schleifringe gegeneinander und gegen den Tragkörper zu isolieren. Auch die Stromzuführungen müssen eine sichere Isolation aufweisen.

Die Stromübertragung erfolgt im wesentlichen über Bürsten. Dies führt zu einem Bürstenverschleiß, der auch elektrisch leitende Staubablagerungen zur Folge hat, die in den Motor- räum gelangen und damit zu Schäden führen können. Infolge dieses Bürstenverschleißes ist außerdem ein regelmäßiger Bürstenwechsel vorzusehen.

Wie aus dem Fachartikel von Dieter Seifert "Elektrische Ener- giewandler für Off-shore Windenergieanlagen" bekannt, ist die Übertragung der Läuferleistung über Bürsten und Schleifringe und der damit verbundene Wartungsaufwand ein bedeutender Nachteil. Dieser Wartungsaufwand kann demnach durch zwei Lö¬ sungen vermieden werden. Zur Vermeidung der schleifenden Stromübertragung wird die Läuferleistung der einen Asynchron¬ maschinen dem Läufer einer zweiten Asynchronmaschine zuge¬ führt. Beide Maschinen sind mechanisch gekoppelt laufen gleich schnell; damit können die beiden Läuferwicklungen fest verbunden werden. Bürsten und Schleifringe sind nicht notwen¬ dig.

Des Weiteren kann die Asynchronmaschine mit einem Schlupftra¬ fo versehen werden. Er besteht aus einem feststehenden Pri¬ märteil und einem rotierenden Sekundärteil mit jeweils kreis¬ runden Blechpaketen, in die kreisrunde Spulen eingebettet sind. Der Schlupftrafo überträgt die Schlupfleistung ohne selbst ein Drehmoment zu erzeugen. Das bedeutet, dass sich mit dem Schlupftrafo das Betriebsverhalten der Asynchronma¬ schine nicht verändert. Mit einem entsprechenden Frequenzum¬ richter erhält man dann das gleiche Betriebsverhalten wie bei der konventionell doppelt gespeisten Asynchronmaschine.

Die aufgezeigten Lösungen haben den Nachteil, dass mehr Mate¬ rial eingesetzt werden muss als bei konventionellen Lösungen mit Schleifringen.

Auch bei einer Synchronmaschine mit Gleichstromerregung des Läufers, erfolgt diese in der konventionellen Lösung über Bürsten und Schleifringe. Auch hierfür gibt es bürstenlose Erregereinrichtungen, die jedoch mit erheblichem Zusatzauf¬ wand verbunden sind.

Bei Windkraftanlagen, insbesondere wenn sie auch Off-shore eingesetzt werden sollen, sind folgende Eigenschaften beson¬ ders wichtig und zu bewerten: die Zuverlässigkeit, Wartungs¬ armut, Abmessungen und Gewicht, Transport und Montage, Kosten des elektrischen Energiewandlersystems im Vergleich zu den Gesamtkosten und die Netzverträglichkeit.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine zuver¬ lässige und wartungsarme Stromübertragung zu einem Rotor ei- ner Windkraftanlage zu schaffen, ohne einen zusätzlichen Ge¬ samtaufwand an Material und Gewicht bereitzustellen. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Wind¬ kraftanlage mit einem Windkraftgenerator, der einen Stator und einen Rotor aufweist und mit einer Stromübertragungs¬ einrichtung zur zumindest zeitweisen Speisung einer Wicklung des Rotors, wobei der Strom der Wicklung des Rotors über Flüssigmetalllegierungen von einem feststehenden zum rotie¬ renden Teil übertragen wird.

Durch Flüssigmetalllegierungen werden vergleichsweise höhere Stromdichten erreicht. Des Weiteren wird eine ungleichmäßige Stromverteilung und die damit verbundenen höheren elektri¬ schen Verluste durch die Flüssigmetalllegierung vermieden. Mit derartigen Flüssigmetalllegierungen können auch bei hohen Kontaktgeschwindigkeiten größere Stromstärken als mit den be- kannten Gleitkontakten übertragen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Spaltes in Form von halbof¬ fenen oder rotierenden Rinnen, halten die Kontaktflüssigkeit im Bereich der Übertragungsflächen.

Die Flüssigmetalllegierung kann auch durch Kapillarwirkung des Spaltes zwischen den Stromübertragungsflächen gehalten werden. Dabei entfällt der konstruktive Aufwand, die Flüssig¬ metalllegierung im Bereich der Stromübertragungsflächen des feststehenden und rotierenden Teils zu halten.

Vorteilhafterweise wird die Kapillarwirkung durch Benetzung der der Flüssigmetalllegierung zugewandten Seite der Strom¬ übertragungsflächen erreicht. Dabei werden insbesondere Mate- rialien, wie z.B. Molybdän verwendet. Des Weiteren kann die Kapillarwirkung auch durch Formgebung der Stromübertragungs¬ flächen erreicht werden, indem die Spaltweite in den jeweili¬ gen Außenbereichen der Stromübertragungsflächen verringert wird. Die Kapillarwirkung wird somit durch die chemische Zu- sammensetzung der Flüssigmetalllegierung, der Geometrie des Spaltes und der Beschaffenheit des Oberflächenmaterials be- einflusst. Insbesondere bei einer mehrphasigen Stromübertragungseinrich¬ tung, wie sie bei Windkraftanlagen vorkommt, weist die Strom¬ übertragungseinrichtung axial hintereinander angeordnete, galvanisch voneinander getrennte Stromübertragungsflächen auf. Jede Teilanordnung ist für die Stromübertragung jeweils einer Phase vorgesehen. Die den jeweiligen Phasen zugeordne¬ ten Stromübertragungsflächen sind dabei durch geeignete Mit¬ tel galvanisch voneinander zu trennen, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Vorteilhafterweise ist eine derartige Stromüber- tragungseinrichtung modulartig aufgebaut, wobei ein Modul ei¬ ne Teilanordnung, eine Stromübertragungsfläche oder eine Iso¬ lationsscheibe darstellt, so dass, um die gesamte Stromüber¬ tragungseinrichtung zu erhalten, durch axiale Anordnung die¬ ser Module auf einem Tragkörper eine für insbesondere Wind- kraftanlagen besonders geeignete Stromübertragungseinrichtung geschaffen wird.

Vorteilhafterweise werden als Isolierung zwischen den einzel¬ nen Stromübertragungsflächen Isolierringe verwendet.

Insbesondere bei längerem Stillstand der Windkraftanlage und damit der Stromübertragungseinrichtung oder längerem Betrieb der Windkraft sind Mittel zur Heizung oder Kühlung der Flüs¬ sigkeitslegierung vorzusehen um damit einen optimalen Betrieb der Stromübertragungseinrichtung der Windkraftanlage zu ge¬ währleisten. Als Heizung können dabei dementsprechend ange- passte Heizschlangen oder Kühlschlangen in der Flüssigkeits¬ legierung oder in den angrenzenden Teilen vorgesehen werden. Ebenso ist auch ein lediglich zeitweises Aufheizen der Flüs- sigkeitslegierung möglich, und sobald der außergewöhnliche Betriebszustand nicht mehr vorliegt, kann diese Heizung und/oder Kühlung abgeschaltet werden.

Als besonders vorteilhafte Flüssigmetalllegierungen haben sich Galium, Indium, Zinn oder Selenverbindungen herausge¬ stellt. Eine besonders einfache und wartungsfreundliche Anordnung er¬ gibt sich, wenn die Stromübertragungseinrichtung der Wind¬ kraftanlage bei Umgebungsdruck eingesetzt werden kann. Die dabei auftretenden Oxidationseffekte des Flüssigkeitsmetalls können u.a. vermieden werden, indem die Stromübertragungsein¬ richtung in einer Schutzgasatmosphäre arbeitet.

Eine weitere Möglichkeit die Stromübertragungseinrichtung der Windkraftanlage zu betreiben, ist bei Über- oder Unterdruck, wodurch auch eventuelle Oxidation verringert werden kann. Die Abdichtung der Stromübertragungseinrichtung gegenüber der At¬ mosphäre geschieht in einer weiteren Ausgestaltung der Erfin¬ dung auf Basis von magnetisch leitenden Flüssigkeiten wie z.B. Ferrofluiden. Zur Abdichtung eignen sich aber auch rae- chanische Dichtvorrichtungen wie Bürstendichtungen oder Radi- alwellendientringe.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den schematisch dargestellten Ausführungs- beispielen in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

FIG 1, 2 prinzipielle Stromübertragungseinrichtung einer Windkraftanlage, FIG 3 ein doppelt gespeister Asynchrongenerator, FIG 4 ein Asynchrongenerator mit geschalteten Läuferwider¬ ständen, FIG 5 einen gleichstromerregten Synchrongenerator.

FIG 1 zeigt eine schematisch dargestellte Stromübertragungs- einrichtung 20 einer Windkraftanlage mit feststehenden, elektrisch und elektrisch isolierenden Außenteilen. Die elektrisch leitenden Außenteile 1 sind dabei vorteilhafter¬ weise durch Isolierscheiben 4 galvanisch voneinander ge¬ trennt, so dass Kurzschlüsse zwischen den Phasen der festste- henden Außenteile 1 vermieden werden. Rotierende Innenteile 2 und 5 korrespondieren zu den feststehenden Außenteilen 1 und 4, so dass eine Stromübertragung zwischen Außenteil 1 und In- nenteil 2 über eine Flüssigmetalllegierung 3 erfolgen kann. Der auf die rotierenden Innenteile 2 übertragene Strom wird, wie nicht näher dargestellt, über Zuleitungen den jeweiligen Wicklungen eines Rotors 6 weitergeleitet. Die rotierenden In- nenteile 2 und 5 sind drehfest auf einer Welle 21 montiert.

FIG 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Spaltes mit den darin auftretenden Kräften auf die Flüssigmetalllegierung 3. Die aus der Adhäsionskraft FA und der Kohäsionskraft FK resultierende Kraft F steht senkrecht auf der Oberfläche des Flüssigmetalls 3. Die Kraft F formt dadurch die Oberfläche der Flüssigmetalllegierung 3. Der Winkel Ct bezeichnet den Kontaktwinkel. Die Wirkung der resultierenden Kraft F wirkt dem Bestreben der Flüssigmetalllegierung aus dem Spalt auszu- treten entgegen.

Die Geometrie des Spaltes bestimmt unter anderem mit der Oberflächenspannung der Flüssigmetalllegierung 3 und dem Ma¬ terial der Oberfläche der Isolierscheiben 4, 5 die Größe der Kraft F, die in das Innere der Flüssigmetalllegierung 3 ge¬ richtet ist. Durch wahlweise Gestaltung des Spaltes und der Auswahl des Oberflächenmaterials der Isolierscheiben 4 als auch der chemischen Zusammensetzung der Flüssigmetalllegie¬ rung 3 kann somit der Austritt der Flüssigmetalllegierung 3 aus dem Spalt verhindert werden. Dabei wird mit Adhäsions¬ kraft FA die Kraft bezeichnet, die von der Oberfläche der Isolierscheiben 4, 5 auf die Flüssigmetalllegierung 3 wirkt. Als Kohäsionskraft FK wird eine Zusammenhangskraft bezeich¬ net, die innerhalb der Flüssigmetalllegierung 3 zwischen den einzelnen Molekülen der Flüssigmetalllegierung 3 wirkt.

FIG 3 zeigt eine prinzipiell dargestellte Windkraftanlage 22 mit einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator 7. Die Wind¬ kraftanlage wird im wesentlichen durch einen Windpropeller 8 und ein nachgeschaltetes Getriebe 9 und eineroptimalen Kupp¬ lung 10 gebildet, über die der Rotor 6 des Asynchrongenera¬ tors 7 angetrieben wird. Die Statorwicklung dieses Generators ist mit dem zu speisenden Netz verbunden, dabei kann ggf. noch ein nicht dargestellter Transformator zur Spannungsan¬ passung vorhanden sein. Der statische Frequenzumrichter 11 zur Speisung der Läuferwicklung über den Schleifringkörper 20 kann dabei ein Zwischenkreisumrichter, vorzugsweise mit einem Spannungszwischenkreis als auch ein Direktumrichter oder Matrixumrichter sein.

FIG 4 zeigt eine prinzipiell dargestellte Windkraftanlage mit einem Asynchrongenerator 7 mit geschalteten Läuferwiderstän¬ den 12, dabei werden insbesondere die Anschlüsse einer nicht näher dargestellten Wicklung des Rotors 6 über Stromübertra¬ gungseinrichtung 20 herausgeführt. Die Widerstände und Schal¬ ter, elektromechanische Schalter oder elektronische Tyristor- Schalter werden extern angeordnet.

FIG 5 zeigt eine prinzipiell dargestellte Windkraftanlage mit einem Synchrongenerator 13 mit Gleichstromerregung. Dabei ist die Statorwicklung über einen Frequenzumrichter 11 mit dem zu speisenden Netz verbunden. Die Anschlüsse der Erregerwicklung des Rotors 6 werden über Stromübertragungseinrichtung 20 her¬ ausgeführt. Die Ein- bzw. Verstellung des ErregerStroms er¬ folgt z.B. überfeinen externen steuerbaren Gleichrichter 14.

Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Stromübertragungsein¬ richtung 20 wird höchste Verfügbarkeit und Wartungsfreiheit ohne Einschränkung der elektrisch und elektrisch mechanischen Systemeigenschaften erreicht. Außerdem ergibt sich eine äu¬ ßerst kompakte Bauart des Windgenerators der Windanlage und damit verbunden ein geringerer Platzbedarf, was die Möglich¬ keit zur Optimierung der Rotorlänge des Generators bzw. der Aerodynamik des Gehäuses weitere Freiheitsgrade eröffnet. Es stellt sich eine Steigerung des Systemwirkungsgrades ein, da sich die ohmschen Übergangswiderstände erheblich reduzieren. Somit erhöht sich auch die Wirtschaftlichkeit einer derarti¬ gen Windkraftanlage. Eine derartige Windkraftanlage mit der erfindungsgemäßen Stromübertragungseinrichtung ist für einen sehr großen Drehzahlbereich geeignet, ohne dass eine Beein¬ trächtigung der Lebensdauer eintritt. Es kann auf einen voll¬ ständigen Verzicht auf aufwendige Bürstenlängen, Monitoring- systeme und damit auf ein äußerst robustes und für Störung unanfälliges GesaratSystem zurückgegriffen werden. Die Strom¬ übertragungseinrichtung 20 stellt eine völlig unterbrechungs- freie, EMV-technisch unempfindliche und störungsfreie Über¬ tragungsstrecke dar, es ergeben sich somit keine störenden Einflüsse auf andere Systemkomponenten, womit sich eine zu- sätzlich erhöhte Betriebssicherheit und Verfügbarkeit ein¬ stellt. Auch Regelverfahren, die mit auf den Energieübertra¬ gungsgrößen (Strom und Spannung) überlagerten beliebig modu¬ lierten Spannungen und Strömen arbeiten, werden nicht beein- flusst.

Die Stromübertragungseinrichtung 20 übernimmt dabei auch La¬ gerungsfunktionen für die feststehenden Teile der Anordnung, so dass eine separate Lageranordnung nicht notwendig ist. D.h., die Flüssigmetalllegierung 3 übernimmt hierbei Lagerei- genschaften und überträgt gleichzeitig den elektrischen Strom. Lediglich eine Drehmomentstütze verhindert ein Mitro¬ tieren der feststehenden Teile. Um die Stromübertragungsein¬ richtung 20 gegen atmosphärische Einflüsse zu schützen, ist eine Dichtung vorgesehen. Die Dichtung kann dabei auf Basis von magnetischen Flüssigkeiten oder sonstigen Gasen ausge¬ führt sein. Entscheidend ist, dass kein Kontakt zwischen At¬ mosphäre und der Flüssigkeitsmetalllegierung 3 vorhanden ist. Die Dichtung selbst kann als Labyrinthdichtung, Bürstendich¬ tung oder Radialwellendichtring ausgeführt sein.

Die erfindungsgemäße Stromübertragungseinrichtung 20 eignet sich insbesondere auch für hochtemperatur-supraleitende Wind- kraftgeneratoren.

Die erfindungsgemäße Stromübertragungseinrichtung zur Leis¬ tungsübertragung kann auch für Monitoring- und Überwachungs- Signale von gegebenenfalls am Rotor 6 angebrachten Sensoren angewandt werden.

Somit erfolgt bei einer derartigen Windkraftanlage sowohl die Leistungsübertragung, die Lagerung als auch Übertragung von Sensordaten über ein oder mehrere Stromübertragungseinrich¬ tungen.