Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem von Wind antreibbaren Rotor mit zumindest einem Rotorblatt, mit einem Generator zur Umwandlung der mechanischen Energie des Rotors in elektrische Energie sowie mit einem Turm, an dem der Rotor angeordnet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Windenergieanlage, die mit einem derartigen Verfahren betrieben wird.

Die Stromproduktion von Windenergieanlagen schwankt aufgrund der am Ort der Windenergieanlage auftretenden, natürlicherweise unkonstanten Windverhältnisse. Daraus resultierend tragen Windenergieanlagen im Stand der Technik nicht zur Grundlast der Stromversorgung bei.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage anzugeben, mit denen es möglich ist, die Stromerzeugung der Windenergieanlage von den vor Ort herrschenden Wind- Verhältnissen unabhängiger zu machen, sodass mit Windenergieanlagen eventuell sogar ein Beitrag zur Grundlast der Stromversorgung geleistet werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Danach wird dem Generator einer Windenergieanlage bedarfsweise mechanische Energie einer Kraftmaschine eines der Windenergieanlage zugeordneten Wärmekraftwerks zugeführt, insbesondere einer Dampfturbine eines Dampfkraftwerks, die der Generator anschließend in elektrische Energie umwandelt. Vorteilhafterweise kann dem Generator der Windenergieanlage daher mechanische Energie aus zumindest zwei Energiequellen zugeführt werden. Zum einen kann der Generator durch den sich bei Wind drehenden Rotor der Windenergieanlage gespeist werden, zum anderen durch eine separate Kraftmaschine, wie etwa der Turbine, des Wärmekraftwerks der Windenergieanlage.

BESTäTIGUNGSKOPJE

Es ist somit möglich, den Generator der Windenergieanlage, insbesondere in windlosen oder windschwachen Zeiten, in denen der Generator keinen oder nur wenig windbedingten Strom erzeugt, mittels eines windunabhängigen Wärmekraftwerks anzutreiben.

Entsprechend der gewünschten elektrischen Gesamtausgangsleistung der Windenergieanlage kann die dem Generator von dem Wärmekraftwerk zugeführte mechanische Energie bzw. Leistung angepasst werden. In Zeiten, in denen wenig windbedingter Strom produziert wird, kann dem Generator entsprechend viel mechanische Energie des Wärmekraftwerks zugeführt werden. In Zeiten, in denen viel windbedingter Strom produziert wird, kann dem Generator entsprechend wenig mechanische Energie des Wärmekraftwerks zugeführt werden. Insgesamt ist es erfindungsgemäß daher beispielsweise möglich - wenn dies gewünscht ist - eine im Wesentlichen konstante elektrische Gesamtausgangsleistung der Windenergieanlage zu erzielen. Selbst in Zeiten, in denen kein Wind weht, kann die Windenergieanlage auf diese Weise elektrische Energie bzw. Leistung bereitstellen. Erfindungsgemäß kann demnach das Wärmekraftwerk der Windenergieanlage mit dem Generator der Windenergieanlage zumindest dann wirkverbunden sein, wenn bei Schwachwind keine oder nur eine geringe windbedingte Stromproduktion möglich ist.

Vorzugsweise wird die mechanische Energie der Kraftmaschine dem Generator demnach zumindest oder ausschließlich zu denjenigen Zeiten zugeführt, in denen die windbedingte Stromproduktion der Windenergieanlage gering oder Null ist, insbesondere geringer als 50 % der Nennleistung der Anlage, bevorzugt geringer als 30 %, besonders bevorzugt geringer als 10 %.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt auch darin, dass bei der Erweiterung einer Windenergieanlage des Standes der Technik um ein Wärmekraftwerk bestimmte Bauteile der Windenergieanlage doppelt genutzt werden können, insbesondere der Generator der Windenergieanlage, das Getriebe und/oder der oder die Transformatoren. In gleicher Weise muss auch die Anbindung der Windenergieanlage an ein übergeordnetes Stromnetz nur einmal erfolgen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Wärmekraftwerk, vorzugsweise das Dampfkraftwerk, zumindest zum Großteil, vorzugsweise vollständig, im Turm der Windenergieanlage und/oder im Fundament der Windenergieanlage angeordnet. Der von der Windenergieanlage genutzte Raum wird demnach unmittelbar zur platzsparenden Unterbringung des Wärmekraftwerks genutzt. Alternativ ist es grundsätzlich auch denkbar, das Wärmekraftwerk der Windenergieanlage in unmittelbarer räumlicher Nähe der eigentlichen Windenergieanlage anzuordnen, d.h. des windbedingte Energie erzeugenden Teils der Windenergieanlage.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird dem Wärmekraftwerk von dem Generator der Windenergieanlage erzeugte elektrische Energie zugeführt, wobei diese elektrische Energie in dem Kraftwerk in thermische Energie umgewandelt und in einem Speicher des Wärmekraftwerks gespeichert wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die aktuelle, windbedingte Energieerzeugung der Windenergieanlage größer als ein vorbestimmter Grenzwert ist. Beispielsweise kann der Fall eintreten, dass von der Windenergieanlage mehr windbedingte elektrische Energie erzeugt wird als von den an die Windenergieanlage direkt oder indirekt über ein Stromnetz angeschlossenen Verbrauchern verbraucht wird.

Häufig wird die Windenergieanlage nachts bei möglicherweise geringem Stromverbrauch der angeschlossenen Verbraucher mehr windbedingten Strom erzeugen als notwendig ist. Insbesondere in diesen Zeiten kann der Speicher des Wärmekraftwerks aufgefüllt werden.

Wenn das Wärmekraftwerk als Dampfkraftwerk ausgebildet ist, ist der Speicher vorzugsweise ein Dampfspeicher. Dem Dampfkraftwerk der Windenergieanlage kann die überschüssige, windbedingte elektrische Energie der Windenergieanlage zugeführt werden. Dazu ist es zweckmäßig, den durch den Generator der Windenergieanlage produzierten elektrischen Strom zumindest teilweise dem Dampfkraftwerk zuzuführen. Beispielsweise in mit einem mit einem Wärmeträger, etwa Wasser, gefüllten Heizkessel des Dampfkraftwerks kann die elektrische Energie anschließend dazu verwendet werden, den Wärmeträger durch Wärmezufuhr in Dampf zu überführen. Der Dampf kann anschließend in dem Dampfspeicher gespeichert werden. Für die Umwandlung der windbedingten elektrischen Energie in thermische Energie, die von dem Dampfkraftwerk verwendet werden kann, gibt es - wie der Fachmann erkennt - eine Vielzahl von Möglich-

keiten. Beispielsweise können in dem Heizkessel angeordnete, stromdurchflossene Heizschlangen verwendet werden, die die elektrische Energie in Wärme umwandeln.

Vorzugsweise wandelt das Wärmekraftwerk allgemein aus windunabhängigen, d.h. aus von Wind unbeeinflussten Energiequellen stammende, thermische Energie in die dem Generator der Windenergieanlage zuzuführende, mechanische Energie um.

Dem Wärmekraftwerk, insbesondere dem Dampfkraftwerk, kann unmittelbar thermische Energie zugeführt werden. Das Wärmekraftwerk wandelt diese thermische Energie dann in mechanische Energie um, die dem Generator der Windenergieanlage zur nachfolgenden Umwandlung in elektrische Energie zugeführt wird.

Das Wärmekraftwerk kann die thermische Energie dabei insbesondere selbst erzeugen, etwa durch Verbrennung geeigneter, brennbarer Medien.

Diese thermische Energie kann aus geothemischen Quellen stammen. Beispielsweise kann mittels Wärmepumpen dem Erdboden, der Luft, dem Grundwasser und/oder dem Meer thermische Energie entzogen werden. Alternativ oder zusätzlich kann dem Dampfkraftwerk aus Verbrennung brennbarer Medien entstandene thermische Energie zugeführt werden und/oder aus Blockheizkraftwerken stammende thermische Energie.

Gemäß einem eigenständigen und grundsätzlich selbstständig beanspruchbaren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dem Wärmekraftwerk, insbesondere dem Dampfkraftwerk, vorzugsweise dem Dampfspeicher des Dampfkraftwerks, thermische Energie zugeführt, indem Sonnenstrahlen über im Umfeld der Windenergieanlage angeordnete Spiegel auf den Turm der Windenergieanlage konzentriert werden. Vorteilhafterweise wird dabei demnach die Energie der Sonnenstrahlen genutzt, um dem Wärmekraftwerk thermische Energie zuzuführen. Das Wärmekraftwerk wandelt diese thermische Energie dann in der oben beschriebenen Weise in mechanische Energie um, die dem Generator der Windenergieanlage zugeführt wird.

Die auf den Turm der Windenergieanlage konzentrierte Sonnenenergie kann mittels geeigneten Wärmetauschern, insbesondere mittels Sonnenlichtkollektoren, in die thermische Energie umgewandelt werden. Diese thermische Energie wird dem Wärmekraftwerk dann mittels geeigneter Wärmeträger, vorzugsweise Wasser, zugeführt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, die in oben dargestellter Weise von dem Wärmekraftwerk produzierte und eventuell in dem Energiespeicher gespeicherte, thermische Energie zumindest teilweise auch unmittelbar mit einem thermoelektrischen Generator in elektrischen Strom umzuwandeln. Der Strom kann dann beispielsweise über den Netzanschluss der Windenergieanlage in das angeschlossene Stromnetz eingespeist werden, insbesondere unter Umgehung des Generators der Windenergieanlage.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die von dem Dampfkraftwerk erzeugte ther- mische Energie oder die diesem über separate Quellen zugeführte thermische Energie zumindest teilweise als Prozesswärme genutzt werden, um Treibstoff, insbesondere Methanol, zu synthetisieren.

Eine Windenergieanlage, die die Aufgabe der vorliegenden Erfindung löst, weist die Merk- male des Anspruches 12 auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Generator der Windenergieanlage mit der Kraftmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie des Wärmekraftwerks der Windenergieanlage koppelbar, indem eine der Kraft- maschine zugeordnete Welle mittelbar über geeignete Getriebe oder unmittelbar mit dem Generator verbindbar ist.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei- Spieles sowie aus der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Windenergieanlage in Seitenansicht mit im Turm angeordnetem Dampfkraftwerk.

In der Fig. 1 ist eine Windenergieanlage 10 dargestellt. Die Windenergieanlage 10 weist am oberen Ende eines vertikalen, auf einem horizontalen Untergrund 12 angeordneten Turms 14 eine auf der Turmoberseite angeordnete Gondel 16 auf. Wie der Fachmann des Standes der Technik weiß, sind für die genaue Ausbildung eines Turms 14 einer Wind- energieanlage 10 vielfältige Ausführungsformen denkbar. Die Erfindung ist naturgemäß nicht auf die in der Zeichnung beschriebene, kegelstumpfförmige Form des Turms 14 beschränkt.

An einem windzugewandten Ende der Gondel 16 ist ein Rotor 18 angeordnet, der eine Nabe 20 aufweist. Mit der Nabe 20 verbunden sind drei Rotorblätter 22, wobei die Rotorblattwurzeln 23 der Rotorblätter 22 in entsprechende öffnungen der Nabe 20 eingesteckt und in bekannter Weise mit dieser verbunden sind.

Der Rotor 18 dreht sich um eine leicht gegenüber der Horizontalen nach oben geneigte Achse. Sobald Wind auf die Rotorblätter 22 trifft, wird der Rotor 18 mitsamt Rotorblättern 22 um die Rotorachse in Rotation versetzt. Die Bewegung der Rotorachse wird von einem innerhalb der Gondel 16 angeordneten Generator in elektrischen Strom umgewandelt. Die Rotorblätter 22 überstreichen während der Rotation eine Kreisfläche. über eine nicht dargestellte, allerdings den Fachleuten des Standes der Technik bekannte, Verstellein- richtung können die Rotorblätter 22 einzeln in ihrer Stellung zum Wind verändert werden, das heißt, der Anstellwinkel der Rotorblätter 22 zum Wind ist einstellbar. Verschiedene Funktionen der Windenergieanlage 10 sind über eine nicht dargestellte, geeignete Steuerungseinrichtung steuerbar.

Die Windenergieanlage 10 ist an ein Stromnetz angeschlossen, in das die von dem Generator produzierte, elektrische Energie eingespeist werden kann.

Der grundsätzliche Aufbau der Windenergieanlage 10 mit zumindest annähernd horizontaler Rotorachse ist im Stand der Technik bekannt, so dass auf eine detaillierte Darstellung derselben verzichtet wird.

Im Inneren der Windenergieanlage 10 ist ein Wärmekraftwerk, nämlich ein Dampfkraftwerk 24, mit im Stand der Technik an sich bekannter Funktionsweise angeordnet. Das Dampfkraftwerk 24 ist nur schematisch dargestellt. Eine Mehrzahl von Bauteilen sind weggelassen worden.

Im unteren Abschnitt des Turms 14 weist das Dampfkraftwerk 24 einen Energiespeicher auf, nämlich einen Dampfspeicher 26. Der Dampfspeicher 26 wird mit aus einem nicht dargestellten Heizkessel stammenden Dampf eines Wärmeträgers, nämlich Wasser, gefüllt.

Bei Bedarf kann der Wasserdampf über geeignete Rohrleitungssysteme 28 von dem Speicher 26 annährend vertikal nach oben geleitet werden bis zu der Gondel 16 der Windenergieanlage 10. In der Gondel 16 ist eine Kraftmaschine des Dampfkraftwerks 24 angeordnet, nämlich eine Dampfturbine 30. In der Turbine 30 wird in aus der Kraftwerkstechnik an sich bekannter Weise die thermische Energie des Dampfes in mechanische Energie umgewandelt, nämlich in Bewegungsenergie der Turbinenflügel und daraus folgend in Bewegungsenergie einer Welle der Turbine 30. Die Turbinenwelle ist über ein nicht dargestelltes Getriebe mit dem Generator der Windenergieanlage 10 verbunden bzw. wirkverbindbar.

In einem ebenfalls nicht dargestellten Kondensator wird der Wasserdampf anschließend kondensiert. Das im Wege der Kondensation entstehende Wasser in flüssigem Aggregatzustand wird über nicht dargestellte Rückleitungssysteme zu dem Heizkessel geführt, indem das durch Wärmeeinwirkung erneut verdampft und dem Dampfspeicher 26 zugeführt wird.

Dem Generator der Windenergieanlage wird demnach zum einen windbedingte mechanische Energie zugeführt, indem der Rotor 18 der Windenergieanlage 10 durch Windeinwirkung in Rotation versetzt wird. Andererseits kann dem Generator von dem Dampfkraftwerk 24 erzeugte mechanische Energie zugeführt werden.

Es ist somit möglich, den Generator der Windenergieanlage 10, insbesondere in windlosen oder windschwachen Zeiten, in denen der Generator keinen oder nur wenig windbedingten Strom erzeugt, mittels des von den Windverhältnissen unabhängigen Dampfkraftwerks 24 anzutreiben.

Entsprechend der gewünschten elektrischen Gesamtausgangsleistung der Windenergieanlage 10 kann dabei die dem Generator von dem Dampfkraftwerk 24 zugeführte mechanische Energie angepasst werden. In Zeiten, in denen wenig windbedingter Strom produziert wird, kann dem Generator entsprechend viel mechanische Energie des Dampfkraft- werks 24 zugeführt werden. In Zeiten, in denen viel windbedingter Strom produziert wird, kann dem Generator entsprechend wenig mechanische Energie zugeführt werden. Insgesamt ist es daher möglich, eine im Wesentlichen konstante, zumindest aber eine gegenüber dem Stand der Technik gleichförmigere bzw. konstantere elektrische Gesamtausgangsleistung der Windenergieanlage 10 bereitzustellen. Selbst in Zeiten, in denen kein Wind weht, kann die Windenergieanlage 10 auf diese Weise elektrische Energie bzw. Leistung bereitstellen.

Die Welle der Turbine 30 wird über das Getriebe zumindest dann mit dem Generator zur übertragung der mechanischen Energie wirkverbunden, wenn bei Schwachwind keine oder nur eine geringe windbedingte Stromproduktion möglich ist.

Die thermische Energie, die notwendig ist, um innerhalb des Dampfkraftwerks 24 den Wärmeträger des Dampfkraftwerkes 24, nämlich das Wasser, aus dem flüssigen Zustand in den dampfförmigen Zustand zu überführen, speist sich dabei aus zwei Quellen:

Zum einen ist der Ausgang des Generators der Windenergieanlage 10 derart mit dem Dampfkraftwerk 24 wirkverbunden, dass die von dem Generator erzeugte elektrische Energie verwendet werden kann, um das Wasser zu erhitzen und in die Dampfform zu überführen. Dies kann in an sich bekannter Weise geschehen, indem der Heizkessel des Dampfkraftwerks 24 Heizschlangen aufweist, die von dem durch den Generator erzeugten Strom durchflössen und nach Art eines Tauchsieders erwärmt werden. Zu diesem Zweck wird überschüssige elektrische Energie eingesetzt, die die Windenergieanlage 10 beispielsweise in verbrauchsarmen Zeiten generiert, das heißt bei überkapazitäten. Es ist

auch denkbar, bei entsprechenden überkapazitäten hierfür Strom aus dem übergeordneten Stromnetz zu verwenden, an das die Windenergieanlage 10 angeschlossen ist.

Alternativ oder zusätzlich wird dem Dampfkraftwerk 24 sonnenbedingte, thermische Energie zugeführt. Dazu sind im Umfeld der Windenergieanlage 10 Spiegel 32 am

Erdboden 12 angeordnet. Sonnenlicht 34, das auf diese Spiegel 32 fällt, wird von diesen

Spiegeln 32 reflektiert und auf den Turm 14 konzentriert. An dem Turm 14 angeordnete

Sonnenlichtkollektoren können die Sonnenenergie aufnehmen und in thermische Energie umwandeln. Die dazu notwendigen Vorrichtungen, nämlich Wärmetauscher, Rohrleitungs- Systeme etc. sind nicht im Einzelnen dargestellt. Für den Fachmann des Standes der

Technik ist es aber ein Leichtes, diese bereitzustellen.

Bezugszeichenliste

10 Windenergieanlage

12 Untergrund

14 Turm

16 Gondel

18 Rotor

20 Nabe

22 Rotorblatt

23 Rotorblattwurzeln

24 Dampfkraftwerk

26 Dampfspeicher

28 Rohrleitungssystem

30 Turbine

32 Spiegel

34 Sonnenlicht