Es ist bekannt, dass sich für konventionelle Windenergieanlagen als Antriebskonzepte der Antrieb mit mechanischem Getriebe und der getriebelose Direktantrieb überwiegend durchgesetzt haben.

Abgesehen von weiteren gravierenden Problemen, die bei diesen Antriebkonzepten bestehen, ist es damit nicht oder nur bedingt möglich, konventionelle Windenergieanlagen mit echten Kraftwerkseigenschaften, also Windkraftwerke, zu realisieren. Für den weiteren Ausbau der Windenergienutzung zur Stromerzeugung im Netzparallel- oder

Inselbetrieb sind aber gerade diese echten Kraftwerkseigenschaften unverzichtbar.

Diese Kraftwerkseigenschaften werden in mehr als 99% der weltweit betriebenen konventionellen Kraftwerke dadurch realisiert, dass zur Stromerzeugung Synchrongeneratoren verwandt werden, die direkt auf das Netz oder an die

Verbraucher geschaltet werden. Diese direkt gekoppelten Synchrongeneratoren benötigen zu ihrem Antrieb eine konstante Drehzahl.

Aus der WO 2008/113699 A2 ist eine Energieumwandlungsvorrichtung bekannt, bei der die Rotordrehzahl und die Antriebsdrehzahl eines Hydraulikmotors unabhängig

voneinander regelbar sein sollen, um eine konstante

Drehzahl der Antriebswelle eines Generators zu erreichen und dadurch den Einsatz von Synchrongeneratoren zu

ermöglichen. Diese Energieumwandlungsvorrichtung ist mit dem Nachteil behaftet, dass sie so, wie beschrieben, nicht funktioniert . Aufgabe der Erfindung ist es, einen hydrostatischen

Antrieb für Windenergieanlagen vorzuschlagen, der diesen Kraftwerkseigenschaften verleiht .

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des

Vorrichtungsanspruches 1 und des Verfahrensanspruches 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der

Unteransprüche .

Erfindungsgemäß wird auf eine formschlüssige Verbindung zwischen Rotor und Generatoren im Triebstrang des

Windkraftwerkes verzichtet. Diese Verbindung wird durch einen von einer Hydropumpe, die vom Rotor angetrieben wird, geförderten Gesamtvolumenstrom ersetzt, wobei der Gesamtvolumenstrom auf einen oder mehrere geschlossene hydraulische Teilkreisläufe (Ti- _n ) aufteilbar ist, wobei jeder Teilkreislauf (Ti_ _n ) über eine Hydromotoren- kombination mit einem Verstellhydromotor und einem

Festhydromotor verfügt, wobei die Hydromotoren auf einer gemeinsamen Welle angeordnet oder miteinander starr gekoppelt sind und die Antriebswelle eines Synchrongenerators antreiben.

Das Schluckvolumen der Verstellhydromotoren wird durch eine Steuerung so eingestellt, dass im Inselbetrieb die Drehzahl der Antriebswelle des zugehörigen Synchrongenerators einen konstanten oder nahezu konstanten Wert annimmt, so dass die Synchrongeneratoren der

Teilkreisläufe (Ti_ _n ) ausgangsseitig direkt auf einen Verbraucher aufschaltbar sind.

Im Netzparallelbetrieb wird die Drehzahl der

Synchrongeneratoren vom Netz bestimmt, so dass die

Steuerung dann das Antriebsmoment der Generatorwellen so einstellt, dass ein Momentengleichgewicht zwischen dem Rotor und den Generatoren besteht. Die Synchrongeneratoren sind somit in beiden Betriebsarten von der Rotordrehung unabhängig und können mit derjenigen Drehzahl drehen, die das Netz erzwingt bzw. die zu

versorgenden Verbraucher erfordern.

Die dazu erforderliche Steuerung des Volumenstroms und des Betriebsdruckes im geschlossenen Hydrauliksystem wird durch die Verstellhydromotoren realisiert, deren

Schluckvolumen durch eine elektro-hydraulische Verstellung des Hubvolumens ihrer vorzugsweise Axialkolben sehr schnell und genau geregelt werden kann.

Das maximale Gesamtschluckvolumen in jedem Teilkreislauf (Ti_ _n ) der Hydromotorenkombination ergibt sich aus der Summe der Schluckvolumina von Fest- und Verstellhydromotor bei 100% Verstellung, wobei das Schluckvolumen des

Festhydromotors kleiner, höchstens jedoch gleich dem maximalen Schluckvolumen des Verstellhydromotors ist.

Von den Verstellhydromotoren der Hydromotorenkombination jedes Teilkreislaufes (Ti_ _n ) ist der größere Teil,

mindestens jedoch die Hälfte, des Volumenstromes im jeweiligen Teilkreislauf (Ti_ _n ) aufzunehmen.

Über die Volumenstromregelung werden bei gegebenem

Gesamtvolumenstrom der Systemdruck, damit das dem Rotor entgegengesetzte Drehmoment und letztlich die Drehzahl des Rotors unmittelbar beeinflusst. Dadurch werden die

Leistungsregelung und ihre Begrenzung auf die Nennleistung des Windkraftwerkes vermittels gezielter Drehzahlsteuerung des Rotors möglich. Die gewünschte Drehzahl des Rotors kann jederzeit exakt eingehalten werden.

Ferner kann der hydrostatische Antrieb den Rotor direkt und praktisch verschleißfrei abbremsen, wenn es das

Betriebsregime erfordert. Die dabei umgewandelte

kinetische Energie des Rotors fällt kurzzeitig als Wärmeenergie im Hydrauliköl an und kann wegen der hohen, volumenbedingten Wärmekapazität des gesamten

Hydrauliksystems problemlos abgeführt werden.

Hierbei handelt es sich um ein außerordentlich

zuverlässiges, anlagenschonendes und von äußeren

Einflüssen nahezu unabhängiges Verfahren, dessen Einsatz in der konventionellen Anlagentechnologie so nicht möglich ist. Diese Art der Leistungsregelung ermöglicht auch den Verzicht auf die mechanische Verstellung der Rotorblätter um ihre Längsachse (Pitch) .

Entsprechend angeordnete Überdruckventile im

Hydrauliksystem des Hauptantriebes gestatten die

Begrenzung des Öldruckes auf den auslegungsabhängigen Maximalwert. Ein den Öffnungsdruck übersteigender

Systemdruck und damit ein überhöhtes Drehmoment als

Gegenmoment für den Rotor sind damit sicher

ausgeschlossen. Stattdessen wird der Rotor in der Regel abgebremst werden. Das ist mit einer Verringerung seines aerodynamischen Wirkungsgrades verbunden. Er nimmt also infolge des Bremsvorganges bei verringerter Drehzahl weniger Energie aus dem Wind, so dass durch gezielte

Bremsvorgänge die Anlagenleistung geregelt und begrenzt werden kann.

Für den Fall, dass das durch die Hydropumpe bei maximalem Druck dem Rotor entgegengebrachte Bremsmoment bei extremen Windböen nicht zu einer Reduzierung der Rotordrehzahl führt, weicht der Rotor zunächst in Richtung höherer

Drehzahlen aus, die die Anlage jedoch nicht überlasten können und beim Überschreiten zulässiger Grenzwerte letztlich vom Sicherheitssystem pariert werden. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen

insbesondere darin, dass es durch den Einsatz des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebes möglich wird, Windkraftwerke mit echten

Kraftwerkseigenschaften herzustellen und zu betreiben und diese Windkraftwerke selbst dann, wenn kein Wind weht und sie demzufolge keinen Strom erzeugen können, eine

wertvolle Systemdienstleistung für das Netz, an das sie angeschlossen sind, erbringen, indem ihre

Synchrongeneratoren motorisch als Phasenschiebermaschinen zugeschaltet werden und kapazitive oder induktive

Blindleistung bis zur Größe ihrer Nennleistung liefern.

Der erfindungsgemäße hydrostatische Antrieb soll anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: Hydrostatischer Antrieb mit zwei geschlossenen

Teilkreisläufen,

Fig. 2: Ventilblock und

Fig. 3: Hydrostatischer Antrieb mit einem

geschlossenen Teilkreislauf.

Fig. 1 zeigt einen hydrostatischen Antrieb mit zwei geschlossenen Teilkreisläufen Tl und T2.

Der hydrostatische Antrieb ist seinem Wesen nach ein

Fluidgetriebe, eingefügt in den Kraftfluss zwischen dem Rotor 19 und einem oder mehreren Synchrongeneratoren 5. Er besteht aus der Hydropumpe 1, den Ventilblöcken 2, den Hydromotoren 3 und 4, den Synchrongeneratoren 5, sowie dem Hydrauliksystem, bestehend aus dem Hochdruckspeicher 6, dem Niederdruckspeicher 7, der Speisepumpe 8, dem

Rücklauffilter 9, dem Ölwärmetauscher 10, dem

Druckbegrenzungsventil 11 und der Hochdruckpumpe 12 mit einem Umschaltventil zur Hochdruckeinspeisung 13 sowie dem Ausspülventilschaltventil 14.

Ein Hydromotor jedes Teilkreislaufes Tl und T2 ist ein Festhydromotor 3 und der andere ein Verstellhydromotor 4.

Die mechanisch mit dem Rotor 19 direkt verbundene

Hydropumpe 1 wandelt die mechanische Energie des Rotors 19 verhältnismäßig verlustarm in hydraulische Strömungsenergie um und gibt sie über insgesamt 8 Ports, davon je 4 Ports für den Vorlauf VP und 4 Ports für den Rücklauf RP, an zwei separate geschlossene hydraulische Teilkreisläufe Tl und T2 ab. In beiden Teilkreisläufen wird die

Strömungsenergie je einer Hydromotorkombination aus dem Festhydromotor 3 und dem Verstellhydromotor 4 zugeführt, die sie wieder in mechanische Energie zum Antrieb der mit den Hydromotorenkombinationen verbundenen

Synchrongeneratoren 5 umwandeln.

Die Synchrongeneratoren 5 führen die letzte

Energiewandlung in Elektroenergie durch. Diese wird direkt ins Netz eingespeist oder aber an die angeschlossenen Verbraucher abgegeben.

Als Hydropumpe 1 wird eine langsam laufende hydraulische Verdrängerpumpe, vorzugsweise eine Radialkolbenpumpe, verwendet. Sie ist bevorzugt so dimensioniert, dass ihre Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie möglichst genau der des Rotors 19 bei optimalem Gesamtwirkungsgrad der Hydropumpe 1 entspricht.

Die Hydromotorkombinationen bestehen aus je einem

Festhydromotor 3 in Schrägscheiben- oder

Schrägkolbenausführung und einem Verstellhydromotor 4, vorzugsweise in Schrägscheibenausführung. Die Verstelleinheiten zur elektro-hydraulischen Steuerung des Schluckvolumens der Verstellhydromotoren 4 bilden mit diesen eine konstruktive Einheit.

Jeweils eine Hydromotorkombination 3,4 ist mit je einem Synchrongenerator 5 mechanisch verbunden. Dazu ist das Gehäuse der Hydromotorkombination 3,4 über einen

Motorträger fest mit dem Gehäuse des Synchrongenerators 5 verbunden, vorzugsweise verschraubt. Die Wellen der

Hydromotoren sind untereinander starr verbunden und die Abtriebswelle der Hydromotorkombination 3,4 und die

Antriebswelle des Synchrongenerators 5 verbindet bevorzugt eine elastische Kupplung.

Der Verstellhydromotor 4 und der Festhydromotor 3 jedes Teilkreislaufes Tl und T2 verfügen jeweils über einen hochdruckseitigen Vorlauf (VM) und einen

niederdruckseitigen Rücklauf (RM) , die indirekt über den Ventilblock 2 mit der Hydropumpe 1 verbunden sind.

Zwischen der Hydropumpe 1 und jeder Hydromotorkombination 3,4 ist je ein Ventilblock 2 zwischengeschaltet.

Dieser ist in Fig.2 gezeigt.

Hochdruckseitig ist in den Weg Vorlauf VP → VM ein

Proportionalstromregelventil 15 geschaltet, mit dem der Vorlauf ganz oder teilweise gesperrt werden kann.

Pumpenseitig vor dem Proportionalstromregelventil 15 verbinden ein Überdruckventil 16 und ein

Sicherheitsüberdruckventil 17 durch jeweils eine parallele Schaltung den hochdruckseitigen Vorlauf mit dem

niederdruckseitigen Rücklauf. Diese beiden Ventile sind dafür zuständig, dass in den angeschlossenen

Teilkreisläufen Tl und T2 ein höchstzulässiger Systemdruck nicht überschritten wird und damit eine Überlastung des Windkraftwerkes durch äußere Einwirkung praktisch

ausgeschlossen ist. Motorseitig verbindet ein Nachsaugventil 18 den Vorlauf und den Rücklauf. Dieses Nachsaugventil 18 sorgt dafür, dass beim Übergang des angeschlossenen Synchrongenerators 5 vom generatorischen in den motorischen Betrieb die

Versorgung mit Speiseöl aufrecht erhalten bleibt.

Gleichermaßen sichert es den gewollten motorischen Betrieb des Synchrongenerators 5, wenn dieser bei stehendem Rotor 19 motorisch als Phasenschiebermaschine arbeiten soll.

Ein oder auch mehrere Hochdruckspeicher 6, angeschlossen auf der Hochdruckseite mindestens eines der geschlossenen Teilkreisläufe Tl bzw. T2, dienen als Schockspeicher und sichern bei sehr schnellen Lastspitzen, die vom Rotor 19 ausgehen können, ein adäquates Reagieren der

Betriebsführung des Windkraftwerkes. Darüber hinaus sind sie verantwortlich für eine bestimmungsgemäße Einstellung der Eigenfrequenz des gesamten hydrostatischen Antriebs, die so erfolgen muss, dass Eigenresonanzen während des Betriebes sicher vermieden werden.

Ein oder mehrere auf der Niederdruckseite mindestens eines der geschlossenen Teilkreisläufe Tl und T2 angeschlossene Niederdruckspeicher 7 gewährleisten, dass für das

bestimmungsgemäße Füllen des Hochdruckspeichers 6 bzw. der Hochdruckspeicher 6 genügend Öl im geschlossenen System zur Verfügung steht.

Die Speisepumpe 8 sichert während des Betriebes die

Versorgung der geschlossenen Teilkreisläufe Tl und T2 mit Speiseöl. Ihre Fördermenge ist so bemessen, dass

einerseits die Leckölverluste der Hydropumpe 1 und der Hydromotoren 3,4 nachgeführt werden. Andererseits wird der Hydropumpe 1 ein Überschuss an gekühltem Speiseöl aus dem Tank zugeführt, das hinter den Hydromotoren 3,4 bei nicht geschaltetem Ausspülschaltventil 14 in gleicher Menge wieder ausgespült wird. Das ausgespülte Öl durchläuft den Rücklauffilter 9, der es von mitgeführten Partikeln reinigt, durchläuft den

Ölwärmetauscher 10, wo es gekühlt wird, und gelangt über das Druckbegrenzungsventil 11 wieder in den Tank zurück.

Oberhalb des Druckbegrenzungsventilsll wird ein Teil des gereinigten und gekühlten Ölvolumenstroms abgezweigt und über das Gehäuse der Hydropumpe 1 in den Tank geleitet, wodurch eine Gehäusespülung der Hydropumpe 1 zur

zusätzlichen Kühlung erreicht wird.

Ein umschaltbarer Abgang der Hochdruckpumpe 12, die für die Versorgung anderer Aggregate des Windkraftwerkes ohnehin vorhanden ist, ist je nach Stellung des

Umschaltventils der Hochdruckeinspeisung 13 in

Ruhestellung gesperrt oder aber entweder mit der

Niederdruckseite oder der Hochdruckseite der geschlossenen Teilkreisläufe Tl und T2 verbunden.

Diese Anordnung erfüllt zwei Funktionen:

Bei vollständig geschlossenen Proportionalstromregelventilen 15 in allen Ventilblöcken 2, gelüfteter

mechanischer Rotorbremse, Verbindung der Hochdruckpumpe 12 mit der Niederdruckseite und Verbindung der Hochdruckseite durch das Ausspülschaltventil 14 mit dem Rücklauffilter 9 wird die Hydropumpe 1 unter dem Einfluss des

Volumenstromes der Hochdruckpumpe 12 zu einem langsam laufenden Hydromotor im offenen Hydraulikkreis, der den Rotor 19 auf eine für dessen schnellen Hochlauf günstige Anfangsdrehzahl bringt.

Das ist insbesondere dann unverzichtbar, wenn ein

Windkraftwerk mit Zweiblattrotor über kein Pitchsystem verfügt, weil dann der selbständige Hochlauf des Rotors 19, wenn überhaupt, dann erst bei sehr hohen

Windgeschwindigkeiten möglich wäre. Bei vollständig geöffneten Proportionalstromregelventilen 15 in einem oder mehreren Ventilblöcken 2, angezogener mechanischer Rotorbremse, Verbindung der Hochdruckpumpe 12 mit der Hochdruckseite und Verbindung der Niederdruckseite durch das Ausspülschaltventil 14 mit dem Rücklauffilter 9 werden die zugehörigen

Hydromotorkombinationen 3,4 bei stehendem Rotor 19 unter dem Einfluss des Volumenstromes der Hochdruckpumpe 12 im offenen Hydraulikkreis angetrieben und sorgen für den leistungslosen Hochlauf der zugehörigen

Synchrongeneratoren 5 bis auf Nenndrehzahl im

generatorischen Betrieb. Sie können dann an das Netz ansynchronisiert werden, gehen anschließend in den

motorischen Betrieb über und arbeiten als

Phasenschiebermaschinen. Gleichzeitig damit gehen die Hydromotoren 3, 4 in den Pumpenbetrieb über, der durch die Nachsaugventile 18 in den Ventilblöcken 2 hinsichtlich der Speiseölversorgung gesichert ist, und laufen im Leerlauf mit. Ein Anlauf der Synchrongeneratoren als Motoren aus dem Stillstand wäre ansonsten nicht möglich.

Die Synchrongeneratoren 5 wandeln die mechanische

Antriebsenergie der Hydromotoren 3,4 in elektrische

Energie um. Zum Einsatz kommen bürstenlose Drehstromsynchrongeneratoren mit rotierendem Erregersystem.

Die Erregung der Synchrongeneratoren 5 wird vom

Betriebsführungssystem sowohl während des

Produktionsbetriebes als auch im Phasenschieberbetrieb zweckentsprechend gesteuert. Gleiches gilt für die

Ansynchronisation der Synchrongeneratoren 5 untereinander, an ein bestehendes Netz bzw. andere Windkraftwerke oder Elektrogeneratoren . Die Synchrongeneratoren 5 arbeiten im Produktionsbetrieb mit fester Drehzahl. Das erfolgt völlig unabhängig von der jeweiligen Drehzahl des Rotors 19 des Windkraftwerkes. Die dazu erforderliche Steuerung der Verstellhydromotoren 4 in Abhängigkeit vom Volumenstrom erfolgt durch das

Betriebsführungssystem. Die Synchrongeneratoren 5 können auch mit variabler Drehzahl arbeiten, wenn die

angeschlossenen Verbraucher das erfordern.

Bei Netzparallelbetrieb wird der Leistungsfaktor cos φ als Maß des Verhältnisses von Wirk- zu Blindleistung sowohl im Produktionsbetrieb als auch im Phasenschieberbetrieb durch die entsprechende Einstellung der Erregerspannung der Synchrongeneratoren 5 vom Betriebsführungssystem

bedarfsgerecht vorgenommen.

Im Inselbetrieb oder bei Betrieb in lokalen Netzen ist es möglich, dass nicht die gesamte Elektroenergie, die das Windkraftwerk bei gegebener Windgeschwindigkeit liefern könnte, auch tatsächlich abgenommen werden kann. Liegt dieser Leistungsbedarf unterhalb der Leistungskennlinie für den Ein-Generator-Betrieb, ist es möglich, mit nur einem Synchrongenerator 5 bis hin zu dessen maximaler Leistung zu arbeiten. Der Rotor 19 arbeitet mit

entsprechend geringerer Drehzahl und die Hydropumpe 1 wegen des geringeren Volumenstromes nur mit einem

geschlossenen Teilkreislauf Tl oder T2.

Die in den Teilkreisläufen Tl und T2 anfallende

Verlustwärme wird über den ölwärmetauscher 10 abgeführt. Besteht am Standort kein Wärmebedarf, kommen Öl-Luft- Wärmetauscher zum Einsatz. Ansonsten wird die Verlustwärme über Öl-Wasser-Wärmetauscher einem Heizkreislauf am

Standort zugeführt. Umgekehrt kann über diesen Weg auch bei extrem tiefen Temperaturen die minimale Betriebstemperatur des Windkraftwerkes durch Zuführung von Wärme aus diesem Heizkreis sehr viel schneller hergestellt werden, als das Windkraftwerk aus eigener Kraft dazu in der Lage wäre.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt.

Es unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass nur ein geschlossener hydraulischer

Kreislauf Tl und damit auch nur ein Synchrongenerator 5 vorhanden sind. Die Funktion unterscheidet sich nicht vom ersten Ausführungsbeispiel, lediglich die auf dem

Vorhandensein von zwei Synchrongeneratoren 5 beruhenden Besonderheiten sind hier nicht gegeben.

Diese Art der Ausführung ist vorzugsweise für

Windkraftwerke mit Nennleistungen bis zu etwa 100 kW zu bevorzugen. Die Ausführung mit zwei Synchrongeneratoren 5 ist bis zu etwa 1.000 kW Nennleistung realisierbar. Bei Windkraftwerken mit noch größeren Nennleistungen ist der Einsatz von mehr als zwei Synchrongeneratoren 5

vorteilhaft.

Im Allgemeinen aber ist die Anzahl der Synchrongeneratoren 5 beliebig und wird letztlich durch

wirtschaftliche und technische Anforderungen an das

Windkraftwerk bestimmt.

Bezugs zeichenliste

1 Hydropumpe

2 Ventilblock

3 Hydromotor als Festmotor

4 Hydromotor als Verstellmotor

5 Synchrongenerator

6 Hochdruckspeicher

7 Niederdruckspeicher

8 Speisepumpe

9 Rücklauffilter

10 Ölwärmetauscher

11 Druckbegrenzungsventil

12 Hochdruckpumpe

13 Umschaltventil der Hochdruckeinspeisung

14 Ausspülschaltventil

15 Proportionalstromregelventil

16 Überdruckventil

17 Sicherheitsüberdruckventil

18 Nachsaugventil

19 Rotor