Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor und einem Generator, der von dem Rotor angetrieben elektrische Energie erzeugt. Mindestens ein Rotorblatt ist in einer Rotornabe um seine Längsachse verstellbar gelagert. Die Windenergieanlage besitzt einen Hilfsgenerator, der von dem Rotor angetrieben elektrische Energie für mindestens einen Verbraucher erzeugt.

Aus DE 102 33 589 Al ist eine Windenergieanlage mit einem mehrstufigen Generator bekannt. Bei der Windenergieanlage sind unterschiedliche Generatorstufen für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten vorgesehen, die wahlweise zugeschaltet oder getrennt werden. Durch die mehreren Generatorstufen soll ein breiter Bereich von unterschiedlichen Windstärken effektiv zur Stromerzeugung genutzt werden.

Aus DE 196 44 705 ist eine Verstellvorrichtung für die Rotorblätter bekannt. Bei der Verstellung der Rotorblätter werden diese in eine Querstellung gebracht, die sogenannte Fahnenstellung, bei der die Windenergieanlage zum Stillstand kommt. Die Verstellvorrichtung besitzt einen Hilfsgenerator, der im festen Verbund mit Turmkopf/Rotor installiert ist und die Energie aus der Drehbewegung des Rotors relativ zum Turmkopf gewinnt. Mit der so gewonnenen Energie werden die Rotorblätter direkt in die Fahnenstellung gedreht.

Aus DE 100 09 472 C2 ist eine Vorrichtung zum Verstellen des Anstellwinkels der Rotorblätter mit einem Notstromkreis bekannt. Der Notstromkreis besitzt einen Permanentmagnetgenerator, der mit den Motoren zum Verstellen des Anstellwinkels derart verschaltet ist, dass diese nach einem Zuschalten des Notstromkreises in die Fahnenstellung gestellt werden. Hierbei wird bei hohen Drehzahlen der Rotorwelle auch eine große Verfahrgeschwindigkeit der Rotorblätter erzielt.

Aus DE 101 53 644 C2 ist eine Windenergieanlage mit einer berührungslosen Energieübertragung von einem feststehenden Teil der Windenergieanlage auf den Rotor bekannt. Hierzu wird eine Asynchronmaschine, deren Ständer mit dem feststehenden Teil der Windenergieanlage verbunden und deren Läufer an dem drehenden Teil angeordnet ist, in die Windenergieanlage integriert.

Aus DE 368 799 ist eine Regelvorrichtung für eine Windenergieanlage bekannt, bei der ein selbsterregter und ein fremderregter Generator zusammen mit Akkumulatoren betrieben werden, derart, dass die Spannung selbsttätig gehalten und ein schwankender Strombedarf der angeschlossenen Verbraucher abgedeckt wird.

Aus EP 1 286 049 A2 ist eine Windenergieanlage mit einer Stabilisierungseinrichtung bekannt, die den Rotor in einer lastarmen Drehstellung (Parkposition) aktiv stabilisiert. Zusätzlich ist eine eigene Energieversorgungseinrichtung, insbesondere in Form einer Hilfs- Windenergieanlage, bekannt, die an dem Maschinenhaus der Windenergieanlage montiert ist.

Moderne Windenergieanlagen weisen häufig eine Verstelleinrichtung auf, den sogenannten Pitchantrieb, der das Rotorblatt um seine Längsachse verstellen kann, wodurch eine Anpassung an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten ermöglicht wird. Wenn es notwendig wird, eine solche Windenergieanlage abzuschalten, werden die Rotorblätter über die Pitchantriebe in ihre Fahnenstellung gebracht, das heißt die Rotorblätter stehen im Wesentlichen quer (90°) zur normalen Ausrichtung. In dieser Stellung kann der Rotor durch eine Feststellbremse oder eine andere Stabilisierungseinrichtung dauerhaft im Stillstand gehalten werden. Jedoch wird der Rotor häufig nicht durch eine Bremse im Stillstand gehalten, sondern der Rotor trudelt im Wind, das heißt, er dreht sich und dadurch auch der mit dem Rotor verbundene Antriebsstrang einschließlich des Generators, wobei der Generator vom Netz getrennt ist. Dieser Zustand wird als Trudelbetrieb bezeichnet. Dabei stellt sich je nach Windgeschwindigkeit und Windrichtung eine ungleichmäßige Drehzahl von wenigen Umdrehungen pro Minute ein, wogegen die Drehzahl im Normalbetrieb der Windenergieanlage wesentlich höher, beispielsweise im Bereich von 15-20 Umdrehungen pro Minute liegt.

Es wird allgemein verlangt, dass die Rotorblätter auch bei Ausfall der Stromversorgung in die Fahnenstellung gestellt werden können. Dazu sind meist Energiespeicher, beispielsweise Akkumulatoren oder Kondensatoren bei elektrischen Pitchantrieben und Druckspeicher bei hydraulischen Pitchantrieben vorgesehen, aus denen die zum einmaligen Verstellen der Rotorblätter in die Fahnenstellung notwendige Energie entnommen wird. Die Energiespeicher sind häufig so dimensioniert, dass diese nach dem einmaligen Verstellvorgang erschöpft sind und erst bei Wiederaufnahme des normalen Betriebs wieder aufgeladen werden. DE 200 20 232 Ul schlägt die Verwendung eines Hilfsgenerators vor, um die Rotorblätter sicher in die Fahnenstellung zu drehen.

Zur vorübergehenden Versorgung der Steuerung der Windenergieanlage bei Netzausfall ist gewöhnlich eine handelsübliche, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) auf der Basis von Akkumulatoren vorhanden, diese ist dazu ausgelegt, die Steuerung der Windenergieanlage für kurze Zeit mit Strom zu versorgen, sodass beispielsweise über eine Fernüberwachung eine Meldung abgesetzt werden kann, dass das Betriebssystem ordnungsgemäß heruntergefahren und/oder die Steuerung abgeschaltet ist.

Bei Windenergieanlagen auf See (off-shore) wird verlangt, dass die Windenergieanlage auch bei einem längeren Ausfall des Stromnetzes von mehreren Tagen oder Wochen in der Lage ist, wesentliche Komponenten mit Notstrom zu versorgen. Dazu ist gewöhnlich ein Dieselgenerator vorgesehen, der mit einer entsprechend großen Menge Diesel versorgt werden muß. Zum Erhalt eines einwandfreien Zustandes des Diesels und des Dieselgenerators ist ein erheblicher Wartungsaufwand notwendig, unter anderem muß der Diesel kontinuierlich oder zumindest regelmäßig umgewälzt und in bestimmten Abständen ausgetauscht werden. Der Aufwand hierfür ist erheblich, außerdem führt der Umgang mit Dieselkraftstoff auf See zu einer Gefährdung der Umwelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Netzausfall eine Notversorgung bereitzustellen, die mit geringem Aufwand herstellbar ist, im Normalbetrieb wenig Wartung erfordert und keine Gefahr für die Umwelt darstellt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Windenergieanlage bilden die Gegenstände der Unteransprüche. Ebenfalls wird die Aufgabe durch das Steuerverfahren gemäß Anspruch 22 gelöst.

Die erfindungsgemäße Windenergieanlage besitzt einen Rotor und einen von diesem angetriebenen Generator, der elektrische Energie erzeugt, die insbesondere zur Einspeisung in ein Netz vorgesehen ist. Mindestens ein Rotorblatt ist in einer Rotornabe drehbar um seine Längsachse gelagert. Ein Hilfsgenerator, der von dem Rotor angetrieben elektrische Energie für mindestens einen Verbraucher erzeugt, ist weiterhin vorgesehen. Erfindungsgemäß ist der Hilfsgenerator für eine Drehzahl des Rotors ausgelegt, die sich für ein in die Fahnenstellung gestelltes Rotorblatt einstellt. Diese Drehzahl ist kleiner als die Drehzahl im Normalbetrieb. Insbesondere bei der Drehzahl im Trudelbetrieb erzeugt der Hilfsgenerator elektrische Energie für den oder die Verbraucher. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Trudeln der Windenergieanlage die vorhandene geringe Drehzahl zum Betrieb des Hilfsgenerators ausgenutzt werden kann, um auf diese Weise dauerhaft und zuverlässig eine Notstromversorgung sicherzustellen. Insbesondere bei off-shore- Windenergieanlagen, die auch für einen Stromausfall von mehreren Tagen oder Wochen ausgelegt sein müssen, erlaubt der Hilfsgenerator eine zuverlässige Energieversorgung. Um die Windenergieanlage dauerhaft in dem Betriebsmodus zu halten, versorgt der Hilfsgenerator eine Steuerung für die Rotorblattverstellung und mindestens einen Motor zur Verstellung des Anstellwinkels des Rotorblatts. Bei dieser Ausgestaltung ermöglicht der Hilfsgenerator im Trudelbetrieb auch eine Steuerung des Anstellwinkels von mindestens einem Rotorblatt, so dass im Ergebnis ein gesteuerter oder geregelter Betrieb der Windenergieanlage im Trudelbetrieb erfolgt. Die Anstellwinkel des Rotorblatts werden von der Steuerung angesteuert, um eine Drehzahl zu erhalten für die der Hilfsgenerator ausgelegt ist. Die Steuerung steuert und/oder regelt den Anstellwinkel von mindestens einem Rotorblatt, um den Hilfsgenerator dauerhaft bei einer niedrigen Drehzahl zu betreiben. Bevorzugt ist jedes Rotorblatt mit jeweils einem Motor zur Verstellung des Anstellwinkels ausgerüstet, wobei jeder der Motoren von dem Hilfsgenerator versorgt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, den Anstellwinkel sämtlicher Rotorblätter auch im Trudelbetrieb einzustellen und so einen geregelten Trudelbetrieb bei unterschiedlichen Bedingungen zu gewährleisten. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung versorgt der Hilfsgenerator eine Steuerung für den Winkel des Maschinenhauses (Azimutwinkel) und einen Azimutantrieb zur Verstellung des Winkels des Maschinenhauses. Bei dieser Ausgestaltung ermöglicht es der Hilfsgenerator während des Trudelbetriebs, das Maschinenhaus und damit den Rotor im Wind auszurichten. Auf diese Weise kann auch die abgeschaltete Windenergieanlage wechselnden Windrichtungen aktiv folgen, so dass die Windenergieanlage auch bei starkem Wind weniger beansprucht wird.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung sind Schaltmittel vorgesehen, die den Hilfsgenerator bei fehlender Stromversorgung durch das Netz für einen Antrieb durch den Rotor zuschalten. Bevorzugt sind die Schaltmittel mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch ausgebildet. In einer möglichen Ausgestaltung ist als Schaltmittel eine mechanische Kupplung vorgesehen, die bei normalem Betrieb der Windenergieanlage geöffnet wird und bei Netzausfall selbsttätig schließt, wobei die Kupplung bevorzugt zeitverzögert schließt, so dass durch die Verzögerung die Drehzahl bereits durch die aus dem Wind heraus gedrehten Rotorblätter vermindert ist.

In einer weiteren Ausgestaltung wird die Kupplung elektrisch und/oder hydraulisch geöffnet und federbetätigt geschlossen. Alternativ ist es möglich, ein fliehkraftbetätigtes Schaltmittel vorzusehen, das bei Überschreiten einer ersten vorbestimmten Drehzahl öffnet und bei Unterschreiten einer zweiten vorbestimmten Drehzahl schließt. Hierbei kann die erste vorbestimmte Drehzahl gleich oder unterschiedlich zu der zweiten vorbestimmten Drehzahl sein. In einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage ist eine Bremse vorgesehen, die vor dem Zuschalten des Hilfsgenerators betätigt wird, bis eine für den Hilfsgenerator vorgesehene Drehzahl erreicht wurde.

In einer möglichen Ausgestaltung wird der Hilfsgenerator von dem Rotor ständig angetrieben und durch elektrische Schaltmittel eine elektrische Verbindung mit den Verbrauchern erst hergestellt, wenn die vorgesehene Drehzahl für den Hilfsgenerator erreicht wurde.

In einer Weiterführung der vorgenannten Ausgestaltung besitzt das Schaltmittel ein Schütz, das bei Normalbetrieb geöffnet ist und bei Netzausfall bevorzugt zeitverzögert schließt. Ferner besitzt das Schaltmittel zusätzlich einen Gleichrichter, einen Umrichter und/oder einen Wechselrichter, der oder die den von dem Hilfsgenerator erzeugten Strom in einer für den zu versorgenden Verbraucher erforderlichen Weise umwandeln und als Gleich- bzw. Wechselstrom bereitstellen.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist der Hilfsgenerator über ein Getriebe mit dem Rotor gekoppelt, wobei vorzugsweise das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis besitzt, um den Hilfsgenerator bei einer Umdrehungszahl des Rotors der Windenergieanlage von weniger als 15 Umdrehungen pro Minute zur Erzeugung von elektrischer Energie anzutreiben. Beispielsweise ist das Übersetzungsverhältnis für einen Drehzahlbereich des Hilfsgenerators von zwei bis acht Umdrehungen pro Minute ausgelegt. Weiter bevorzugt ist der Hilfsgenerator so ausgelegt, dass bei einem Übersetzungsverhältnis für Drehzahlen von vier bis sechs Umdrehungen pro Minute eine ausreichende Bereitstellung von elektrischer Energie durch diesen erfolgt. Zukünftige Windenergieanlagen mit sehr großem Durchmesser können auch bei deutlich geringeren Drehzahlen mit dem Hilfsgenerator Strom erzeugen. Der Hilfsgenerator besitzt bevorzugt eine selbst- oder permanenterregte Bauform. Alternativ kann ein Generator mit Fremderregung verwendet werden, für den die Erregungsleistung aus einem Energiespeicher, beispielsweise Akkumulator, bereitgestellt wird. Zusätzlich ist in einer zweckmäßigen Weiterführung mindestens ein Akkumulator in der Windenergieanlage vorgesehen, der eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellt, wobei der Akkumulator von dem Hilfsgenerator versorgt und insbesondere bei Netzausfall wieder aufgeladen wird. Ebenfalls ist es möglich, den Generator derart auszubilden, dass dieser durch Schaltmittel als Hilfsgenerator betrieben werden kann.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage gelöst. Die Windenergieanlage besitzt mindestens ein Rotorblatt, das in seinem Anstellwinkel um seine Längsachse verstellbar ist. Das Verfahren ist durch einen Betriebsmodus gekennzeichnet, in dem das Rotorblatt mit einer gegenüber dem regulären Betrieb verminderten Drehzahl sich dreht. Vorzugsweise besitzt das Rotorblatt, wie bereits erwähnt, eine Drehzahl von wenigen Umdrehungen pro Minute, während im Normalbetrieb eine Drehzahl von 15 bis 20 Umdrehungen pro Minute vorliegt. Der für diesen Drehzahlbereich ausgelegte Hilfsgenerator erzeugt elektrische Leistung, die an einer Steuerung für den Anstellwinkel des Rotorblatts anliegt. Die Steuerung stellt den Anstellwinkel des Rotorblatts derart, daß die Windenergieanlage dauerhaft in dem Betriebsmodus mit der verminderten Drehzahl betrieben wird. Hierbei versorgt der Hilfsgenerator die Steuerung und einen Antrieb zur Verstellung der Rotorblätter. Die Verstellung des Anstellwinkels kann hierbei geregelt oder gesteuert erfolgen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht des Triebstrangs einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage und Figur 2 ein Blockschaltbild mit den wesentlichen durch den Hilfsgenerator zu versorgenden Komponenten der Windenergieanlage.

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Triebstrangs einer Windenergieanlage, mit einem Rotorblatt 1, das in einer Rotornabe 2 verstellbar gelagert ist. Die Rotorwelle 3 mündet in einem Getriebe 4, dessen Abgangswelle die Generatorwelle 5 für den Generator 6 bildet. Im Normalbetrieb besitzt die Windenergieanlage eine Drehzahl von beispielsweise ungefähr 15-20 Umdrehungen pro Minute, die durch das Getriebe 4 in eine geeignete Drehzahl für den Generator 6 umgesetzt wird. Selbstverständlich existieren auch getriebelose Antriebsstränge.

An einer Abgangswelle des Generators 6 ist eine selbsttätige Kupplung 9 vorgesehen, die mit einer Generatorwelle 7 eines Hilfsgenerators 8 verbunden ist.

Der dargestellte Antriebsstrang arbeitet wie folgt: Bei einem Ausfall des Netzstroms, werden durch einen Hilfsmotor, der von einem Generator oder einem Energiespeicher (nicht dargestellt) gespeist wird, die Rotorblätter in die Fahnenstellung gedreht. Hierdurch geht die Windenergieanlage in den Trudelbetrieb über, bei dem der Rotor eine Drehzahl von ungefähr vier bis sechs Umdrehungen pro Minute besitzt. Ist die Drehzahl ungefähr erreicht, schließt die Kupplung 9, so dass der Hilfsgenerator 8 durch den Rotor angetrieben wird. Die durch den Hilfsgenerator 8 bereitgestellte elektrische Leistung, in der Größenordnung von einigen Kilowatt, reicht aus, die beim Stromausfall benötigten Komponenten der Windenergieanlage, wie beispielsweise Steuerung, Windsensoren, Pitch- und Azimutsystem, Hydrauliksystem, Signaleinrichtung, Gefahrfeuer für See- und Luftfahrt und dergleichen zu versorgen. Wie nachfolgend noch beschrieben wird, erlaubt die von dem Hilfsgenerator 8 bereitgestellte Energie sogar eine Steuerung oder Regelung des Trudelbetriebs.

Figur 2 zeigt in einem Blockschaltbild die Anschlüsse der Windenergieanlage. Im Normalbetrieb wird die am Generator 6 erzeugte elektrische Leistung über den geschlossenen Schalter 17 in das Netz eingespeist. Die elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise die Steuerung 13, die Signaleinrichtungen und Gefahrfeuer 14, sowie das Azimutsystem 15 und das Pitchsystem 16 werden vom Netz - beziehungsweise von dem Generator 6 - mit elektrischer Leistung versorgt.

Wenn die Windenergieanlage, beispielsweise infolge eines Ausfalls des Stromnetzes, vom Netz getrennt werden muß, öffnet Schalter 17. In diesem Fall übernimmt die unterbrechungsfreie Stromversorgung 12 für kurze Zeit die Versorgung der Verbraucher, insbesondere der Steuerung 13 und der Signaleinrichtungen und Gefahrfeuer 14. Außerdem werden durch die Pitchantriebe, die Bestandteil des Pitchsystems 16 sind, die Rotorblätter in die Fahnenstellung gestellt. Die dazu erforderliche Energie wird Energiespeichern entnommen, die ebenfalls Bestandteil des Pitchsystems 16 sind. Durch das Verdrehen der Rotorblätter in die Fahnenposition verringert sich die Drehzahl des Rotors. Bei geeigneter Drehzahl wird Schalter 18 umgelegt und die von dem Hilfsgenerator 8 erzeugte elektrische Leistung wird über einen Umrichter 11 in geeigneten Wechselstrom für die Verbraucher umgewandelt. Hierdurch kann die unterbrechungsfreie Stromversorgung 12 wieder aufgeladen, die Steuerung 13 erforderlichenfalls wieder in Betrieb genommen und Steueraufgaben übernommen werden, ferner können die Signaleinrichtungen und Gefahrfeuer 14 betrieben werden. Weiterhin erfolgt bei normalerweise geschlossenem Schalter 19 eine Versorgung des Azimutsystems 15 und des Pitchsystems 16.

Selbstverständlich kann auf einen Umrichter 11 verzichtet werden, wenn die Komponenten 12... 16 der Windenergieanlage für einen Betrieb unmittelbar mit dem von dem Hilfsgenerator 8 erzeugten Strom geeignet sind.

Durch den Hilfsgenerator 8 werden wenigstens die Versorgung der Steuerung 13 der Windenergieanlage und des Pitchsystems 16 sowie die Versorgung mindestens eines Pitchantriebs sichergestellt, so dass mindestens . ein Rotorblatt in der Windenergieanlage auf eine von der Fahnenstellung abweichende Position gestellt werden kann. Bei einer Steuerung im Trudelbetrieb wird das Rotorblatt derart eingestellt, dass die Drehzahl des Rotors sich in einem solchen Bereich befindet, dass an der Generatorwelle 7 eine für den Betrieb des Hilfsgenerators 8 besonders günstige Drehzahl auftritt, beispielsweise 400-500 Umdrehungen pro Minute. Auf diese Weise kann der Trudelbetrieb kontrolliert und eine gleichmäßige Bereitstellung von Energie erreicht werden.

Durch den Hilfsgenerator 8 können wenigstens die Steuerung 13 der Windenergieanlage und des Azimutsystems, die Windsensoren, die Azimutantriebe und - sofern vorhanden - das Hydrauliksystem mit Energie versorgt werden. Durch die Windsensoren wird insbesondere die Windrichtung bestimmt, so dass die Steuerung 13 eine Eingangsgröße erhält, in welcher Richtung ein Nachführen der Windenergieanlage erforderlich ist. Das Hydrauliksystem muß mit Energie versorgt werden, wenn die Windenergieanlage mit Azimutbremsen ausgestattet ist, die beim Nachführen der Windenergieanlage hydraulisch gelüftet werden müssen. Hierdurch wird es möglich, die Windenergieanlage bei drehendem Wind nachzuführen und so einzustellen, dass möglichst geringe Lasten auf sie einwirken. Insbesondere wird die Windenergieanlage so eingestellt, dass der Rotor in Richtung des Windes weist.

Bei Eintritt einer Windstille ist eine Versorgung durch den Hilfsgenerator 8 nicht mehr möglich. In diesem Fall ist noch eine Versorgung der Steuerung 13 und der Signaleinrichtungen und Gefahrfeuer 14 erforderlich, die von der unterbrechungsfreien Stromversorgung 12 übernommen wird. Ein Betrieb des Azimutsystems 15 und des Pitchsystem 16 ist dann nicht erforderlich und diese Komponenten werden durch Öffnen des Schalters 19 von der Versorgung getrennt.

Die Steuerung 13 ist über (nicht dargestellte) Steuerleitungen, ein lokales Kommunikationsnetz oder andere Verbindungsmittel mit den übrigen Komponenten der Windenergieanlage verbunden, um diese zu steuern und um Betriebs- und Meßwerte von diesen zu erhalten.

Sicherheitsrichtlinien für moderne Windenergieanlagen fordern, dass die abgeschaltete Windenergieanlage bei Netzausfall einen Sturm bestimmter Stärke mit wechselnder Windrichtung unbeschadet übersteht. Wenn die Windenergieanlage der wechselnden Windrichtung aktiv folgen kann, so kann diese für den dimensionierenden Lastfall mit erheblicher Materialeinsparung an verschiedenen Komponenten ausgelegt werden und es besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, dass die Windenergieanlage extreme Windbedingungen unbeschadet übersteht.