Windkraftanlagen, gelegentlich auch als Windenergieanlagen (WEA) bezeichnet, sind mechatronische Systeme zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wind. Die Windkraftanlage ist im Betrieb einer Vielzahl von Kräften, wie beispielsweise Massen-, Steifigkeits-und aeordynamischen Kräften ausgesetzt. Bei der Herstellung und Auslegung von Windkraft- anlagen erfolgt bisher für jede Komponente singulär die Minimierung der Stromgestehungskosten. Bei der Entwicklung eines Anlagetyps wurden also sämtliche Komponenten für sich genommen technisch optimiert, um das Entwicklungsziel geringer Stromgestehungskosten zu erzielen. Mit diesem Optimierungsziel vor Augen wurden in der Vergangenheit Windkraftanlagen entworfen, deren Stromgestehungskosten zwar niedrig liegen, jedoch nicht für eine Serienfertigung geeignet waren. Hinzu kommt, daß durch die Anpassung einer Vielzahl unterschiedlicher Komponenten der Windkraft- anlage bei der Entwicklung und später im Betrieb Fehler, beispielsweise im Getriebe des Antriebsstrangs auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Serienfertigung geeig- nete Windkraftanlage bzw. ein Verfahren zur Herstellung solcher Wind- kraftanlagen bereitzustellen, die zuverlässig arbeiten und für eine Nenn- leistung ausgelegt sind. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde einen Satz von Windkraftanlagen bereitzustellen, die möglichst zuverlässig für unterschiedliche Nennleistungen ausgelegt sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen aus Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 9 gelöst. Auch der Satz von Windkraftanlage gemäß Anspruch 15 löst die der Erfindung zugrunde gelegte Aufgabe. Vorteilhafte Ausge- staltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage mit einer Nennleistung besitzt einen Antriebsstrang. Der Antriebsstrang ist für ein Drehmoment ausgelegt. Erfin- dungsgemäß sind zur Erzielung der Nennleistung Rotorblätter und Parameter der Betriebsführung an den Antriebsstrang angepaßt ausgewählt. Auf diese Art und Weise entstehen beispielsweise Windkraftanlagen mit einer Nenn- leistung von 1,0 MW oder 1,5 MW, die den gleichen Antriebsstrang besitzen. Bei einer herkömmlichen Windkraftanlage wäre die Windkraft- anlage mit einer Nennleistung von 1,0 MW in sämtlichen Elementen an die Nennleistung angepaßt. Es wäre also auch der Antriebsstrang an die Nenn- leistung angepaßt, so daß beide Windkraftanlagen unterschiedliche Antriebs- stränge besitzen. Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist der Antriebsstrang bevorzugt nur innerhalb eines vorbestimmten Intervalls für die Nennleistungen an diese angepaßt. Darüber hinaus erfolgt die Anpassung durch die Auswahl der Rotorblätter und der Parameter in der Betriebs- führung. Bevorzugt wird als Parameter für Betriebsführung die Abschalt- geschwindigkeit eingesetzt. Die erfindungsgemäße Windkraftanlage besitzt also bei verschiedenen Nennleistungen einen identischen Typ von Antriebs- strang, so daß eine kostenoptimierte Serienfertigung möglich ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung werden die Rotorblätter abhängig von Rotorblattgeometrie, Rotorblattgewicht und/oder Rotorblattlänge ausge- wählt. Bevorzugt wird bei der Auswahl der Parameter für die Betriebs- führung und die Rotorblätter auch standortspezifische Größen wie beispiels- weise der Turbolenzgrad, die mittlere Endgeschwindigkeit, Temperatur und Feuchtegehalt berücksichtigt.

Zu dem Antriebsstrang wird bevorzugt auch das Getriebe gezählt, mit dem die Drehzahl des Rotors auf eine Antriebswelle für den Generator übersetzt werden.

Erfindungsgemäß wird das Verfahren auch zur Auslegung einer Windkraft- anlage mit einer Nennleistung gelöst, bei der für einen Antriebsstrang Rotor- blätter und Parameter der Betriebsführung derart ausgewählt sind, daß mit dem Drehmoment für welches der Antriebsstrang ausgelegt ist, die Nenn- leistung erzielt wird. Bevorzugt wird für Nennleistung aus einem vorbe- stimmten Intervall von Nennleistung nur ein Typ von Antriebsstrang einge- setzt, der über die Auswahl der Rotorblätter und Parameter der Betriebs- führung an die Nennleistung angepaßt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zweckmäßigerweise als Parameter für die Betriebsführung die Abschaltgeschwindigkeit und/oder die Steuerparameter zur Anpassung der Blatteinsetllwinkel eingestellt und die Rotorblätter abhängig von Rotor- blattgeometrie, Rotorblattgewicht und/oder Rotorblattlänge ausgewählt.

Standortspezifische Größen, insbesondere Turbolenzgrad, mittlere Wind- geschwindigkeit, Temperatur und Feuchtegehalt werden zusätzlich bei der Auswahl berücksichtigt.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage gehört zu einem Satz von Wind- kraftanlagen mit unterschiedlichen Nennleistungen aus einem Intervall von Nennleistungen. Bei dem Satz sind sämtliche Windkraftanlagen mit einem identischen Typ von Antriebsstrang ausgerüstet und unterscheiden sich in den Parametern für die Betriebsführung sowie in den Rotorblättern.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigt : Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Windkraftanlage, Fig. 2 den Leistungsbeiwert in Abhängigkeit der Schnellaufzahl für ver- schiedene Rotoren, Fig. 3 das Kennfeld des Leistungswert einer Windenergieanlage mit drei Rotorblättern abhängig von dem Blatteinstellwinkel und Fig. 4 Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld für Langsam-und Schnelläufer bei festen Blatteinstellwinkel und verschiedenen Windgeschwindigkeiten.

Fig. 1 zeigt die Wirkungskette einer Windenergieanlage. Anströmende Luft 10 setzt die schematisch dargestellten Rotorblätter 12 in Rotation. Der mechanische Triebstrang, bestehend aus Getriebe, Narbe usw. führt die mechanische Energie dem Generator 16 zu. In dem Generator 16 wird die mechanische Energie in elektrische Energie (Wirkleistung) umgewandelt, welche über Schalt-und Schutzeinrichtungen 18 am Netz 20 anliegt. Eine Regelung und Betriebsführung 22 stellt den Winkel der Rotorblätter, den Generator mit seinen Umrichtern und die Schaltschutzeinrichtung. Die Windenergieanlage läßt sich unter dem Gesichtspunkt der Energieumwand- lung grob in drei Abschnitte unterteilen. Im ersten Abschnitt A liegt die Energie als Strömungsenergie der Luft, mithin als kinetische Energie vor. Im Abschnitt B liegt die der strömenden Luft entnommene Energie als mecha- nische Energie des Triebstranges vor. Nach der Umwandlung im Generator und in einem zugehörigen Wechselrichter liegt die Energie als elektrische Energie C vor und kann ins Netz und/oder an Verbraucher abgegeben wer- den.

Bei der erfindungsgemäßen Windenergieanlage werden im Abschnitt B im wesentlichen stets der gleiche mechanische Triebstrang verwendet. Ebenfalls wird mit einem identischen Generator 16 und einer identischen Schalt-und Schutzeinrichtung sowie Netzeinspeisung gearbeitet. Variiert zur Anpassung der Nennleistung werden bei der erfindungsgemäßen Windenergieanlage der Rotor 12 und die Parameter der Regelung und Betriebsführung 22.

Fig. 2 zeigt beispielhaft die unterschiedliche Auswirkung verschiedener Rotortypen im sogenannten Cp-Lambdadiagramm. Für Windräder ist es nicht üblich, einen Turbinenwirkungsgrad anzugeben, sondern den sogenannten Leistungsbeiwert Cp zu betrachten. Diese Kenngröße gibt für das Windrad im Betrieb das Verhältnis der entzogener zu der im anströmenden Wind ent- haltender Leistung an. Der Wert Cp = 0,4 besagt also, daß dem anströmenden Wind 40% der Leitung durch den Rotor entzogen werden. Als wichtige Größe für die Betrachtung von Windkraftanlage ergibt sich die Drehzahl. Als Drehzahl wird üblicherweise zum Vergleich unterschiedlicher Rotoren die sogenannte Schnellaufzahl X betrachtet. Die Schnellaufzahl ist definiert als das Verhältnis zwischen Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitze und der Windgeschwindigkeit vor dem Windrad. Es ist damit unmittelbar einsichtig, daß die Schnellaufzahl von der Dimensionierung des Rotors abhängt.

Fig. 2 zeigt mit Kurve 24 den Idealwert für Propeller-Windmühlen. Mit zunehmender Schnellaufzahl nimmt der Leistungsbeiwert nur noch schwach zu und nähert sich asymptotisch einem Maximalwert.

Kurve 26 zeigt einen sogenannten amerikanischen Vielblatt-Rotor, als Bei- spiel für einen Langsamläufer. Kurve 28 zeigt beispielhaft die Leistung- sbeiwerte für einen sogenannten holländischen Vierblattrotor. Deutlich höhere Leistungsbeiwerte können für einen schnellen Zweiblatt-Rotor erzielt werden.

In Fig. 3 ist für eine Windenergieanlage mit drei Rotorblättern der Leistungsbeiwert abhängig von dem Blatteinstellwinkel aufgetragen. Die unterschiedlichen Kennlinien zeigen deutlich, daß zu einer gegebenen Schnellaufzahl X durch richtige Einstellung des Blatteinstellwinkels der Leistungsbeiwert erhöht werden kann.

Die schnell rotierenden Blätter, die beispielsweise zu Leistungsbeiwerten aus der Kurve 30 unter den Kennlinien in Fig. 3 führen, übertragen ein geringe- res Drehmoment als langsam laufende Vielblatt-Rtoren. Der Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl für einen Schnelläufer bei festem Blatteinstellwinkel und verschiedenen Windgeschwindigkeiten ist beispiel- haft in Fig. 4 dargestellt. Mit zunehmender Windgeschwindigkeiten, die von 1 bis 10 durchnumeriert sind, gibt es bei festen Blatteinstellwinkel einen Zusammenhang zwischen der Drehzahl n und dem Drehmoment M. Ist der mechanische Antriebsstrang einer Windenergieanlage für ein Drehmoment MN ausgelegt, so kann Fig. 4 entnommen werden, bei welcher minimalen Windgeschwindigkeit dieses Drehmoment erreicht wird. Die minimale Windgeschwindigkeit mit der MN erreicht wird, definiert eine Drehzahl nN.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß für einen vorgegeben Rotor bei fest vorgege- benem Blatteinstellwinkel Drehmoment und Drehzahl in einer festen Bezie- hung zueinander stehen. Das Produkt von Drehmoment und Drehzahl ergibt die Leistung.

Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage wird für eine Nennleistung ein Antriebsstrang vorgegeben. Der Antriebsstrang besitzt ein vorbestimmtes Drehmoment. Zur Erzielung der Nennleistung werden die Rotorblätter und die Parameter der Betriebsführung entsprechend angepaßt. Auf diese Art und Weise entstehen Familien von Windenergieanlagen, die verschiedene Nenn- leistungen und gleiche Komponenten bei optimaler Ausnutzung der Kompo- nentenleistungsfähigkeit besitzen.