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Title:
APPARATUS FOR CONVERTING WIND ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2023/083597
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an apparatus (1) for converting wind energy into electrical energy, comprising a rotor (3) for picking up the wind energy, a hydraulic pump (5) connected to the rotor (3), a hydraulic motor (7) connected to the hydraulic pump (5) via a first hydraulic line (6), a generator (9), connected to the hydraulic motor (7), for generating the electrical energy, and a control device (10) for controlling the hydraulic pump (5), wherein, when a predefined criterium is met, the control device (10) switches the hydraulic pump (5) from a pumping mode, in which the hydraulic pump (5) is driven by the rotor (3), into a motor mode, in which the hydraulic pump (5) drives the rotor (3).

Inventors:
KRAMMER PHILIP (AT)
Application Number:
PCT/EP2022/079706
Publication Date:
May 19, 2023
Filing Date:
October 25, 2022
Export Citation:
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Assignee:
TERAWIND GMBH (AT)
International Classes:
F03D9/28; F03D15/00
Foreign References:
EP2154368A22010-02-17
EP2949986B12017-08-02
US20130251499A12013-09-26
EP2261503A12010-12-15
Attorney, Agent or Firm:
WEISER & VOITH PATENTANWÄLTE PARTNERSCHAFT (AT)
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Claims:
Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Umwandeln von Windenergie in elektri- sche Energie, umfassend einen Rotor (3) zum Aufnehmen der Windenergie, eine mit dem Rotor (3) verbundene Hydraulikpumpe (5), einen über eine erste Hydraulikleitung (6) an die Hydraulikpumpe (5) ange- schlossenen Hydraulikmotor (7), einen mit dem Hydraulikmotor (7) verbundenen Generator (9) zum Erzeugen der elektrischen Energie und eine Steuereinrichtung (10) zum Steuern der Hydrau- likpumpe (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, die Hydraulikpumpe (5) von einem Pumpbetrieb, in welchem die Hyd- raulikpumpe (5) vom Rotor (3) angetrieben wird, bei Erfüllen eines vorgegebenen Kriteriums in einen Motorbetrieb zu verset- zen, in welchem die Hydraulikpumpe (5) den Rotor (3) antreibt. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Hydraulikleitung (6) ein erster Hydraulik- speicher (12) angeordnet ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Hydraulikpumpe (5), die erste Hydrauliklei- tung (6), der Hydraulikmotor (7) und eine zweite Hydrauliklei- tung (15) einen hydraulischen Kreislauf (16) bilden, wobei in der zweiten Hydraulikleitung (15) ein zweiter Hydraulikspeicher (17) angeordnet ist. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn- zeichnet durch einen mit der Steuereinrichtung (10) verbundenen Windsensor (18) zum Erfassen einer Windgeschwindigkeit (v) in einem vorgegebenen luvseitigen Abstand (l) vom Rotor (3), wobei das vorgegebene Kriterium von der erfassten Windgeschwindigkeit (v) und/oder ihrer Änderung abhängig ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass der Windsensor (18) zum Erfassen einer Luftdichte (ρ) in dem vorgegebenen luvseitigen Abstand (l) vom Rotor (3) ausge- bildet ist, wobei das vorgegebene Kriterium ferner von der er- fassten Luftdichte (ρ) abhängig ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen mit der Steuereinrichtung (10) verbundenen Dreh- sensor (19) zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit (ω) des Ro- tors (3), wobei das vorgegebene Kriterium ferner von der er- fassten Drehgeschwindigkeit (ω) abhängig ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, aus der Änderung der erfassten Windgeschwindigkeit (v) eine über ein vorgegebenes Zeitintervall (t12) aufnehmbare Windenergie und eine zugehörige Änderung der Rotationsenergie des Rotors (3) zu ermitteln, welche erforderlich ist, damit die Drehgeschwindig- keit (ω) des Rotors (3) über das vorgegebene Zeitintervall (t12) der Windgeschwindigkeit (v) im Wesentlichen folgt, wobei das vorgegebene Kriterium von den ermittelten Wind- und Rotati- onsenergien abhängig ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Kriterium Wn,12 < 0 lautet, mit der im vorgegebenen Zeitintervall aufnehmbaren Windenergie wobei cp,max.. der maximale Leistungsbeiwert des Rotors (3), ρ..... die erfasste Luftdichte (ρ), A..... die Kreisfläche des Rotors (3), t12.... das vorgegebene Zeitintervall zwischen einem aktuellen ersten Zeitpunkt (t1) und einem zukünftigen zweiten Zeitpunkt (t2), a..... die Änderung der Windgeschwindigkeit (v) im vorgegebenen Zeitintervall (t12), v1 .... die Windgeschwindigkeit des am Rotor (3) auftreffenden Windes (2), ω1 .... die Drehgeschwindigkeit des Rotors (3) zum ersten Zeit- punkt (t1), ω2 .... die Drehgeschwindigkeit des Rotors (3) zum zweiten Zeit- punkt (t2), I..... das Trägheitsmoment des Rotors (3), und Wv,12 .. eine vorbekannte Verlustenergie der Vorrichtung (1) im vorgegebenen Zeitintervall (t12) sind. 9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (5) zumindest zwei Pumpeinheiten (5i) umfasst, wobei jede Pumpeinheit (5i) über ein erstes Steuerven- til (20) mit der ersten Hydraulikleitung (6) und über ein zwei- tes Steuerventil (21) mit der zweiten Hydraulikleitung (15) verbunden und die Steuereinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, die ersten und zweiten Steuerventile (20, 21) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Drehmoment (ML) zu steuern. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) ferner dazu aus- gebildet ist, zur Regelung der Drehgeschwindigkeit (ω) des Ro- tors (3) das Drehmoment der Hydraulikpumpe (5) gemäß vorzugeben, wobei ωsoll .. eine gewünschte Drehgeschwindigkeit des Rotors (3) ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die zumindest zwei Pumpeinheiten (5i) voneinan- der verschiedene Pumpleistungen aufweisen. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) ferner dazu ausgebildet ist, zumindest eine der Pumpeinheiten (5i) in Abhängigkeit vom vorgegebenen Drehmoment (ML) in einen Leer- laufbetrieb zu versetzen oder abzuschalten.
Description:
Vorrichtung zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie. Dazu umfasst die Vorrichtung einen Rotor zum Aufnehmen der Windenergie, eine mit dem Rotor verbundene Hydraulikpumpe, einen über eine erste Hydraulikleitung an die Hydraulikpumpe angeschlossenen Hydrau- likmotor, einen mit dem Hydraulikmotor verbundenen Generator zum Erzeugen der elektrischen Energie und eine Steuereinrich- tung zum Steuern der Hydraulikpumpe. Vorrichtungen zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie – allgemein „Windkraftanlagen“ oder „Windenergieanla- gen“ genannt - haben Rotoren mit einer im Wesentlichen vertika- len oder horizontalen Drehachse. Aufgrund ihres höheren Leis- tungsbeiwerts und der geringeren auftretenden mechanischen Be- lastungen werden heute insbesondere im höheren Leistungsbereich meist Rotoren mit horizontaler Drehachse eingesetzt, bei wel- chen der Rotor z.B. in einer an der Spitze eines Turms oder Mastes angeordneten Gondel gelagert ist. Bei solcher Bauweise ist im Fall einer elektrischen Windenergieanlage in der Gondel unmittelbar der (elektrische) Generator zum Erzeugen elektri- scher Energie untergebracht, welcher - meist über ein Getrie- be - mit der Rotorwelle verbunden ist; im hier vorliegenden Fall einer hydraulischen Windkraftanlage ist bei solcher Bau- weise in der Gondel in der Regel nur die Hydraulikpumpe unter- gebracht, die über eine Hydraulikleitung den Hydraulikmotor und dieser den Generator antreibt; in diesem Fall sind Hydraulikmo- tor und Generator also meist außerhalb der Gondel angeordnet, insbesondere im oder neben dem Mast, sodass die Gondel kleiner und/oder der Hydraulikmotor größer sein kann. Bei niedriger Windgeschwindigkeit unterhalb einer Ein- schaltgeschwindigkeit von typisch etwa 3 – 4 m/s wird der Rotor einer Windenergieanlage in der Regel stillgesetzt oder in einen lagerschonenden Langsamlauf versetzt. Oberhalb der Einschaltge- schwindigkeit bis zu ihrer Nenndrehzahl wird die Anlage meist „windgeführt“ (auch: „drehzahlvariabel“) betrieben, d.h. mit einer an die jeweilige Windgeschwindigkeit angepassten Drehge- schwindigkeit, d.h. Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit, des Rotors. Die optimale Drehzahl des Rotors ergibt sich über eine anlagenspezifische Schnelllaufzahl aus der Windgeschwindigkeit. Die Schnelllaufzahl gibt das Verhältnis aus der Umlaufgeschwin- digkeit des Rotors (an den Rotorblattspitzen) zur Windgeschwin- digkeit an; sie liegt bei üblichen Dreiblattrotoren etwa zwi- schen 7 und 8. Im windgeführten Betrieb wird die Rotor-Drehge- schwindigkeit meist durch Regelung des Rotorblatt-Anstell- winkels („Pitch“) eingestellt. Bei noch höherer Windgeschwindigkeit wird zur Schonung der Windenergieanlage und ihrer Komponenten der Rotor durch gezielt sub-optimalen Rotorblatt-Anstellwinkel weiterhin bei seiner Nenndrehgeschwindigkeit betrieben. Dies führt zu einer Redukti- on des aerodynamischen Wirkungsgrads der Windenergieanlage. Bei einer elektrischen Windenergieanlage begrenzen vor al- lem die Generatornennleistung und die daraus resultierende Grö- ße des Rotors und des Generators in der Gondel die maximale Drehgeschwindigkeit des Rotors. Hydraulische Windkraftanlagen erleichtern eine Auslegung auch für höhere maximale Drehge- schwindigkeiten, da meist nur die Hydraulikpumpe und nicht der Generator selbst in der Gondel angeordnet ist. Allen Windenergieanlagen ist gemeinsam, dass die Pitchver- stellung relativ träge ist. Die Drehgeschwindigkeitsregelung des Rotors bei veränderlicher Windgeschwindigkeit, d.h. bei Windböen, wird dadurch zumindest erschwert die energetische Nutzung kurzer Windböen jedenfalls verhindert. Dies verringert die durch die Vorrichtung nutzbare Windenergie zusätzlich. Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Vorrichtung zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie zu schaffen, welche über einen breiten Windgeschwindigkeitsbereich nutzbar ist und zugleich das Nutzen von kurzzeitigen Änderungen in der Windgeschwindigkeit, d.h. von Windböen, erlaubt. Das Ziel wird mit einer Vorrichtung der einleitend genann- ten Art erreicht, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Hydraulikpumpe von einem Pumpbetrieb, in welchem die Hydraulikpumpe vom Rotor an- getrieben wird, bei Erfüllen eines vorgegebenen Kriteriums in einen Motorbetrieb zu versetzen, in welchem die Hydraulikpumpe den Rotor antreibt. Diese Bauweise ermöglicht der erfindungsgemäßen Vorrich- tung einen optimierten windgeführten Betrieb: Durch das Um- schalten der Hydraulikpumpe vom Pumpbetrieb auf Motorbetrieb wird der Rotor im windgeführten Betrieb der Vorrichtung moto- risch beschleunigt und die Rotordrehgeschwindigkeit rasch an eine sich ändernde Windgeschwindigkeit angepasst, sodass die Vorrichtung auch beim Auftreten einer kurzen Windbö den maxima- len aerodynamischen Wirkungsgrad erzielt oder diesem zumindest nahekommt. Die rasche Anpassung der Rotordrehgeschwindigkeit an die Windgeschwindigkeit wird einerseits durch das Steuern der Hydraulikpumpe anstelle der viel trägeren Pitchverstellung und andererseits durch das aktive motorische Beschleunigen des Ro- tors ermöglicht. Lässt die Windbö nach, kann die Rotationsener- gie des Rotors durch Erhöhung der Pumpleistung der Hydraulik- pumpe umgewandelt und dadurch die Windenergie der Windbö ge- nutzt werden. In einer Ausführungsform der Vorrichtung speist die Hyd- raulikpumpe unmittelbar über die erste Hydraulikleitung den Hydraulikmotor. In einer bevorzugten alternativen Ausführungs- form ist hingegen in der ersten Hydraulikleitung ein erster Hydraulikspeicher angeordnet. Der erste Hydraulikspeicher kann beispielsweise ein offenes Becken oder geschlossener Behälter auf erhöhtem Niveau, ein Druckspeicher (z.B. ein Windkessel od.dgl.) etc. sein. Der Hydraulikmotor ist über die erste Hyd- raulikleitung zwar weiterhin an die Hydraulikpumpe angeschlos- sen, durch den ersten Hydraulikspeicher sind jedoch Rotor und Hydraulikpumpe einerseits und Hydraulikmotor und elektrischer Generator andererseits voneinander insofern entkoppelt, als zum einen die Pumpleistung der Hydraulikpumpe von der Wellenleis- tung des Hydraulikmotors und zum anderen die Betriebszeiten der Hydraulikpumpe von jenen des Hydraulikmotors (mitsamt dem elektrischen Generator) nicht mehr unmittelbar abhängig sind. Die Hydraulikpumpe kann dadurch jederzeit anfallende Windener- gie in den ersten Hydraulikspeicher einspeisen, und der Hydrau- likmotor und der elektrische Generator können davon unabhängig in den ersten Hydraulikspeicher eingespeiste Energie je nach Bedarf in elektrische Energie umwandeln. Beispielsweise kann die elektrische Energie im Dauerbetrieb in annähernd konstanter Leistung bzw. zum Abdecken von Bedarfsspitzen in entsprechend variabler Leistung erzeugt werden. Die Vorrichtung kann ein offenes Hydrauliksystem haben; besonders günstig ist hingegen, wenn die Hydraulikpumpe, die erste Hydraulikleitung, der Hydraulikmotor und eine zweite Hyd- raulikleitung einen hydraulischen Kreislauf bilden, wobei in der zweiten Hydraulikleitung ein zweiter Hydraulikspeicher an- geordnet ist. Das in einem offenen Hydrauliksystem notwendige dauernde Aufbereiten von Hydraulikflüssigkeit für die Hydrau- likpumpe kann so entfallen und die Hydraulikflüssigkeit anstel- le nach ihrer Verfügbarkeit nach den Erfordernissen der Vor- richtung ausgewählt werden; so kann die Hydraulikflüssigkeit in gleichbleibender, an die Erfordernisse angepasster Qualität zur Verfügung stehen. Der zweite Hydraulikspeicher hat anstelle o- der zusätzlich zum ersten Hydraulikspeicher eine mit jenem ver- gleichbare Wirkung und liegt z.B. auf einem niedrigeren Niveau bzw. hat einen niedrigeren Druck als jener. In einer vorteilhaften Ausführungsform hat die Vorrichtung einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Windsensor zum Er- fassen einer Windgeschwindigkeit in einem vorgegebenen luvsei- tigen Abstand vom Rotor, wobei das vorgegebene Kriterium von der erfassten Windgeschwindigkeit und/oder ihrer Änderung ab- hängig ist. Der Windsensor, z.B. ein Anemometer bzw. ein Wind- LiDAR, erfasst die Windgeschwindigkeit, bevor der Wind auf den Rotor trifft, und kann dadurch Windböen frühzeitig erkennen. Das Versetzen der Hydraulikpumpe von ihrem Pump- in ihren Mo- torbetrieb kann auf diese Weise zugleich mit der Änderung der Windgeschwindigkeit des auf den Rotor auftreffenden Windes er- folgen. Besonders günstig ist dabei, wenn der Windsensor zum Er- fassen einer Luftdichte in dem vorgegebenen luvseitigen Abstand vom Rotor ausgebildet ist, wobei das vorgegebene Kriterium fer- ner von der erfassten Luftdichte abhängig ist. Dadurch lässt sich das vorgegebene Kriterium präziser ermitteln und die Hyd- raulikpumpe effektiver steuern. Um das Kriterium für das Versetzen der Hydraulikpumpe vom Pump- in den Motorbetrieb noch genauer bestimmen zu können, hat die Vorrichtung in einer bevorzugten Variante einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Drehsensor zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit des Rotors, wobei das vorgegebene Kriterium ferner von der erfassten Drehgeschwindigkeit abhängig ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Steuereinrich- tung dazu ausgebildet ist, aus der Änderung der erfassten Wind- geschwindigkeit eine über ein vorgegebenes Zeitintervall auf- nehmbare Windenergie und eine zugehörige Änderung der Rotati- onsenergie des Rotors zu ermitteln, welche erforderlich ist, damit die Drehgeschwindigkeit des Rotors über das vorgegebene Zeitintervall der Windgeschwindigkeit im Wesentlichen folgt, wobei das vorgegebene Kriterium von den ermittelten Wind- und Rotationsenergien abhängig ist. Günstig ist in diesem Fall insbesondere, wenn das vorgege- bene Kriterium W n,12 <0 lautet, mit der im vorgegebenen Zeitintervall aufnehmbaren Windenergie wobei c p,max .. der maximale Leistungsbeiwert des Rotors, ρ..... die erfasste Luftdichte, A..... die Kreisfläche des Rotors, t 12 .... das vorgegebene Zeitintervall zwischen einem aktuellen ersten Zeitpunkt und einem zukünftigen zweiten Zeit- punkt, a..... die Änderung der Windgeschwindigkeit im vorgegebenen Zeitintervall, v 1 .... die Windgeschwindigkeit des am Rotor auftreffenden Win- des, ω 1 .... die Drehgeschwindigkeit des Rotors zum ersten Zeitpunkt, ω 2 .... die Drehgeschwindigkeit des Rotors zum zweiten Zeit- punkt, I..... das Trägheitsmoment des Rotors, und W v,12 .. eine vorbekannte Verlustenergie der Vorrichtung im vor- gegebenen Zeitintervall sind. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors zum zweiten Zeitpunkt wird dabei mithilfe der im luvseitigen Abstand vom Rotor er- fassten Windgeschwindigkeit ermittelt. Die aktuelle Windge- schwindigkeit ergibt sich z.B. aus einer zuvor im luvseitigen Abstand vom Rotor erfassten Windgeschwindigkeit. Aus der Diffe- renz der Drehgeschwindigkeiten zum ersten und zum zweiten Zeit- punkt kann exakt bestimmt werden, wann die Hydraulikpumpe vom Pump- in den Motorbetrieb versetzt werden soll und umgekehrt, wann sie wieder in den Pumpbetrieb zurückversetzt werden soll, nämlich wenn in weiterer Folge W n,12 > 0 gilt. Die Drehgeschwin- digkeit des Rotors kann dadurch über das vorgegebene Zeitinter- vall der Windgeschwindigkeit im Wesentlichen folgen, wobei die Formulierung „im Wesentlichen“ bedeutet, dass einerseits Wind- böen auftreten können, welche eine so rasche Änderung der Wind- geschwindigkeit aufweisen, dass der Motorbetrieb der Hydraulik- pumpe zum Beschleunigen des Rotors nicht ganz ausreicht, und andererseits, dass gewisse Ungenauigkeiten in der Wind- und der Rotordrehgeschwindigkeit nicht gänzlich auszuschließen sind. Besonders günstig ist, wenn die Hydraulikpumpe zumindest zwei Pumpeinheiten umfasst, wobei jede Pumpeinheit über ein erstes Steuerventil mit der ersten Hydraulikleitung und über ein zweites Steuerventil mit der zweiten Hydraulikleitung ver- bunden und die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die ers- ten und zweiten Steuerventile in Abhängigkeit von einem vorge- gebenen Drehmoment zu steuern. Ein Regeln der Drehgeschwindig- keit des Rotors und insbesondere ein Versetzen in den Motorbe- trieb ist in diesem Fall durch Ansteuerung der Ventile einfach und besonders rasch möglich. Auch ist die Leistung der Hydrau- likpumpe einfach skalierbar. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuerein- richtung ferner dazu ausgebildet, zur Regelung der Drehge- schwindigkeit des Rotors das Drehmoment der Hydraulikpumpe ge- mäß vorzugeben, wobei ω soll .. eine gewünschte Drehgeschwindigkeit des Rotors ist. Der Rotor kann auf diese Weise im windgeführten Betrieb drehgeschwindigkeitsgeregelt werden. Besonders günstig ist ferner, wenn die zumindest zwei Pumpeinheiten voneinander verschiedene Pumpleistungen aufwei- sen. Bei gleicher Drehgeschwindigkeit des Rotors fördert da- durch jede Pumpeinheit verschieden viel Hydraulikflüssigkeit. So kann die Geschwindigkeitsregelung der Hydraulikpumpe auf un- terschiedlich große Stufen zurückgreifen. Vorteilhaft ist, wenn die Steuereinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, zumindest eine der Pumpeinheiten in Abhängig- keit vom vorgegebenen Drehmoment in einen Leerlaufbetrieb zu versetzen oder abzuschalten. Der Leerlaufbetrieb (bzw. das Ab- schalten) schafft einen dritten Zustand der einzelnen Pumpein- heiten neben dem (normalen) Pumpen vom zweiten in den ersten Hydraulikspeicher und dem (motorischen) Pumpen vom ersten in den zweiten Hydraulikspeicher, woraus sich zusätzliche Abstu- fungen in der Regelung der Drehgeschwindigkeit des Rotors erge- ben. Der Leerlaufbetrieb bezeichnet dabei z.B. ein Pumpen vom ersten in den ersten (oder alternativ vom zweiten in den zwei- ten) Hydraulikspeicher oder überhaupt von einem und in einen separaten Leerlaufspeicher; das genannte Abschalten betrifft ein (insbesondere mechanisches) Trennen der Verbindung einzel- ner Pumpeinheiten zum Rotor. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den beige- schlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen nä- her erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie in einem schematischen Blockschaltbild; Fig. 2 eine Variante der Vorrichtung von Fig. 1 in einem schematischen Blockschaltbild; Fig. 3 einen Ausschnitt der Vorrichtung von Fig. 2 in ei- nem Blockschaltbild; und die Fig. 4a bis 4c einen beispielhaften Verlauf der Wind- energie einer Windbö (Fig. 4a), für die Windbö von Fig. 4a eine Gegenüberstellung der Windenergie mit einer Energie zum Be- schleunigen eines Rotors der Vorrichtung von Fig. 1 und einer durch den Rotor aufnehmbaren Windenergie (Fig. 4b) bzw. für die Windbö von Fig. 4a eine Gegenüberstellung von Rotormoment mit einem Drehmoment einer Hydraulikpumpe der Vorrichtung von Fig. 1 (Fig. 4c), jeweils als Diagramm über der Zeit. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Umwandeln von Wind- energie in elektrische Energie; in der Darstellung ist Wind mit der Geschwindigkeit v durch Pfeile 2 symbolisiert. Die Vorrich- tung 1 umfasst einen Rotor 3, welcher die Windenergie aufnimmt. Über eine Rotorwelle 4 des Rotors 3 ist eine Hydraulikpumpe 5 mit dem Rotor 3 verbunden. An die Hydraulikpumpe 5 ist über ei- ne erste Hydraulikleitung 6 ein Hydraulikmotor 7 angeschlossen, sodass die Hydraulikpumpe 5 - unmittelbar oder mittelbar, wie weiter unten näher erläutert wird - den Hydraulikmotor 7 an- treibt. Über eine Motorwelle 8 des Hydraulikmotors 7 ist ein Generator 9 mit dem Hydraulikmotor 7 verbunden; der Generator 9 erzeugt die elektrische Energie. Die Vorrichtung 1 umfasst fer- ner eine Steuereinrichtung 10 zum Steuern der Hydraulikpumpe 5. Die Steuereinrichtung 10 kann optional auch den Rotor 3, den Hydraulikmotor 7 und/oder den Generator 9 steuern. Im dargestellten Beispiel ist die Rotorwelle 4 horizontal dargestellt. In diesem Fall sind die Rotorwelle 4 und mit ihr der Rotor 3 und die Hydraulikpumpe 5 meist in einer an der Spitze eines Turms oder Masts angeordneten, um eine vertikale Achse drehbaren Gondel (hier nicht dargestellt) gelagert. Al- ternativ könnte die Rotorwelle 4 im Wesentlichen vertikal aus- gerichtet und der Rotor z.B. ein Darrieus-Rotor sein, wobei die Lagerung der Rotorwelle 4 zusammen mit der Hydraulikpumpe 5 in einem Fußsockel angeordnet wären. Der Hydraulikmotor 7 und der Generator 9 können entweder ebenfalls in der Gondel bzw. im So- ckel oder separat davon angeordnet sein. Ist die Windgeschwindigkeit v größer als ein vorgegebenes Minimum (die „Abschalt-“, „Einschalt-“ bzw. „Anlaufgeschwindig- keit“), wird der Rotor 3 vom Wind 2 angetrieben und nimmt Wind- energie auf. Um möglichst viel Windenergie aufzunehmen und ei- nen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist die Drehge- schwindigkeit ω des Rotors 3, d.h. seine Drehzahl oder Winkel- geschwindigkeit, proportional zur Windgeschwindigkeit v; diese Proportionalität wird durch die „Schnelllaufzahl λ“ als Ver- hältnis der Umlaufgeschwindigkeit an den Rotorblattspitzen zur Windgeschwindigkeit v ausgedrückt und der zugehörige Betriebs- zustand der Vorrichtung 1 als „windgeführt“ (oder „drehzahlva- riabel“) bezeichnet. Oberhalb einer Nenn-Windgeschwindigkeit, bei welcher der Rotor 3 seine Nenn-Drehgeschwindigkeit er- reicht, wird die Drehgeschwindigkeit ω des Rotors 3 konstant gehalten, um Schäden an der Vorrichtung 1 zu verhindern; der Wirkungsgrad der Vorrichtung 1 ist in diesem Betriebszustand der konstanten Drehgeschwindigkeit ω reduziert. Ist im windgeführten Betriebszustand die Windgeschwindig- keit v konstant oder ändert sich nur wenig, pumpt die Hydrau- likpumpe 5 vom Rotor 3 angetrieben Hydraulikflüssigkeit 11 un- ter erhöhtem Druck p 1 in die erste Hydraulikleitung 6. Der Hydraulikmotor 7 wird in einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 unmittelbar durch den erhöhten Druck p 1 der Hyd- raulikflüssigkeit 11 in der ersten Hydraulikleitung 6 angetrie- ben und treibt seinerseits den Generator 9 an. Rotor 3, Hydrau- likpumpe 5, Hydraulikmotor 7 und Generator 9 laufen in diesem Fall gleichzeitig. Um das Erzeugen der elektrischen Energie vom Aufnehmen der Windenergie unabhängig zu machen, hat die Vor- richtung 1 in einer dazu alternativen Ausführungsform einen ersten Hydraulikspeicher 12, welcher in der ersten Hydraulik- leitung 6 angeordnet ist, d.h. die erste Hydraulikleitung 6 mündet von der Hydraulikpumpe 5 kommend in den ersten Hydrau- likspeicher 12 und führt von diesem weiter zum Hydraulikmotor 7. Dadurch speist die Hydraulikpumpe 5 im Pumpbetrieb den ers- ten Hydraulikspeicher 12 und dieser speist den Hydraulikmotor 7. Die Hydraulikpumpe 5 treibt in diesem Fall den über die ers- te Hydraulikleitung 6 angeschlossenen Hydraulikmotor 7 mittel- bar an. Der erste Hydraulikspeicher 12 ist z.B. ein geschlossener Druckspeicher mit einem Druckgas 13 in seinem Kopfbereich. Al- ternativ oder ergänzend kann der erste Hydraulikspeicher 12 z.B. einen - optional über ein Getriebe, Gestänge und/oder Seilzüge - gewichtsbelasteten Kolben 14 haben. In einer weite- ren alternativen Variante ist der erste Hydraulikspeicher 12 einfach ein Becken oder Behälter auf erhöhtem Niveau, usw. usf. Die Hydraulikflüssigkeit 11 kann z.B. Umgebungswasser od.dgl. sein, das die Hydraulikpumpe 5 ansaugt und der Hydrau- likmotor 7 wieder an die Umgebung abgibt. Im Beispiel der Fig. 1 bilden hingegen die Hydraulikpumpe 5, die erste Hydrauliklei- tung 6, der Hydraulikmotor 7 und eine zweite Hydraulikleitung 15 einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf 16. In der zwei- ten Hydraulikleitung 15 ist optional ein zweiter Hydraulikspei- cher 17 angeordnet, welcher gegenüber dem (optionalen) ersten Hydraulikspeicher 12 geringeren (oder keinen) Druck p 2 , gerin- gere (oder keine) Gewichtbelastung und/oder niedrigeres Niveau hat. Die Steuereinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, die Hydrau- likpumpe 5 von ihrem Pumpbetrieb, in welchem sie vom Rotor 3 angetrieben wird, in einen Motorbetrieb zu versetzen, in wel- chem die Hydraulikpumpe 5 den Rotor 3 antreibt, wenn ein vorge- gebenes Kriterium erfüllt ist. Im Pumpbetrieb wird Hydraulik- flüssigkeit 11 in Richtung der durchgezogenen Pfeile B P (hier: vom zweiten Hydraulikspeicher 17 über die zweite Hydrauliklei- tung 15) unter erhöhtem Druck p 1 in die erste Hydraulikleitung 6 gepumpt. Im Motorbetrieb treibt umgekehrt die in der ersten Hydraulikleitung 6 unter dem erhöhten Druck p 1 stehende Hydrau- likflüssigkeit 11 die Hydraulikpumpe 5 und diese ihrerseits den Rotor 3 an, was durch die punktierten Pfeile B M symbolisiert ist. Dieses Versetzen der Hydraulikpumpe 5 vom Pumpbetrieb in den Motorbetrieb bewirkt ein motorisches Beschleunigen des Ro- tors 3 und damit eine rasche(re) Reaktion auf eine sich rasch ändernde Windgeschwindigkeit v, sodass im windgeführten Be- triebszustand auch die Windböen innewohnende Windenergie ge- nutzt werden kann. Optional hat dazu die Vorrichtung 1 einen mit der Steuer- einrichtung 10 verbundenen Windsensor 18, z.B. ein Anemometer oder Wind-LiDAR, welcher die Windgeschwindigkeit v in einem vorgegeben luvseitigen Abstand 1 vom Rotor 3 erfasst. Das ge- nannte vorgegebene Kriterien ist in diesem Fall von der im Ab- stand l erfassten Windgeschwindigkeit v und/oder ihrer Änderung abhängig. In einer optionalen Variante ist der Windsensor 18 ferner dazu ausgebildet, eine Luftdichte ρ in dem vorgegebenen luvseitigen Abstand 1 vom Rotor 3 zu erfassen. In dieser Vari- ante ist das vorgegebene Kriterium ferner von der erfassten Luftdichte ρ abhängig. Es versteht sich, dass der genannte luv- seitige Abstand 1 in Abhängigkeit von der Umschaltgeschwindig- keit der Hydraulikpumpe 5 von ihrem Pump- in ihren Motorbetrieb und optional von der Windgeschwindigkeit v vorgegeben werden kann. Optional kann die Vorrichtung 1 einen mit der Steuerein- richtung 10 verbundenen Drehsensor 19, z.B. einen Winkelsensor oder einen Drehzahlsensor umfassen, welcher die Drehgeschwin- digkeit ω des Rotors 3 erfasst. In diesem Fall ist das genannte vorgegebene Kriterium ferner von der erfassten Drehgeschwindig- keit ω abhängig. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 10 dazu ausgebil- det sein, aus der Änderung der erfassten Windgeschwindigkeit v eine über ein vorgegebenes Zeitintervall aufnehmbare Windener- gie und eine zugehörige Änderung der Rotationsenergie des Ro- tors 3, d.h. der kinetischen Energie des Rotors 3 infolge sei- ner Drehgeschwindigkeit ω, zu ermitteln. Die Änderung der Rota- tionsenergie ist dabei jene, welche erforderlich ist, um die Drehgeschwindigkeit ω des Rotors 3 über das vorgegebene Zeitin- tervall der Windgeschwindigkeit v im Wesentlichen folgen zu lassen. Das vorgegebene Kriterium hängt in diesem Fall von den ermittelten Wind- und Rotationsenergien ab. „Im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Änderungen der erfassten Windgeschwindigkeit v aufgrund der Trägheit des Rotors 3 und der Leistung der Hydraulikpumpe 5 im Motorbetrieb nur bis zu einer gewissen Größe gefolgt werden kann, und dass die Windge- schwindigkeit v und die Drehgeschwindigkeit ω immer gewissen Ungenauigkeiten unterliegen. In einer optionalen Ausführungsform lautet das vorgegebene Kriterium W n,12 < 0 (1) mit der im vorgegebenen Zeitintervall aufnehmbaren Windenergie wobei c p,max .. der maximale Leistungsbeiwert des Rotors 3, ρ..... die erfasste Luftdichte ρ, A..... die Kreisfläche des Rotors 3, t 12 .... das vorgegebene Zeitintervall zwischen einem aktuellen ersten Zeitpunkt t 1 und einem zukünftigen zweiten Zeit- punkt t 2 , a..... die Änderung der Windgeschwindigkeit v im vorgegebenen Zeitintervall, v 1 .... die Windgeschwindigkeit des am Rotor 3 auftreffenden Windes 2, ω 1 .... die Drehgeschwindigkeit des Rotors 3 zum ersten Zeit- punkt t 1 , ω 2 .... die Drehgeschwindigkeit des Rotors 3 zum zweiten Zeit- punkt t 2 , I..... das Trägheitsmoment des Rotors 3, und W v,12 .. eine vorbekannte Verlustenergie der Vorrichtung 1 im vorgegebenen Zeitintervall t 12 sind. Die Windgeschwindigkeit v1 am Rotor 3 kann entweder über einen weiteren Windsensor (nicht dargestellt) erfasst werden oder ergibt sich aus einer im luvseitigen Abstand 1 vom Rotor 3 erfassten Windgeschwindigkeit v und der seither verstrichenen Zeit. Die Drehgeschwindigkeit ω 2 des Rotors 3 zum zweiten Zeit- punkt t 2 wird aus der im luvseitigen Abstand 1 vom Rotor 3 er- fassten Windgeschwindigkeit v ermittelt, z.B. kann sie durch geeignete Wahl des Zeitintervalls t 12 unmittelbar mithilfe der Schnelllaufzahl λ aus der im luvseitigen Abstand 1 erfassten Windgeschwindigkeit v errechnet werden oder wird mithilfe der erfassten Windgeschwindigkeit v und der Windgeschwindigkeit v 1 am Rotor 3 interpoliert oder extrapoliert. Die Hydraulikpumpe 5 ist z.B. eine Rotations-, Axial-, Ra- dial- oder Hubkolbenpumpe, eine Zahnrad- oder Schraubspindel- pumpe oder eine andere geeignete Hydraulikpumpe 5 und kann ei- ne, zwei oder mehr Pumpeinheiten 5 1 , 5 2 , …, allgemein 5 i , haben. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Vor- richtung 1 hat die Hydraulikpumpe 5 drei Pumpeinheiten 5 1 , 5 2 und 5 3 (hier: Zylinder mit Hubkolben). Jede Pumpeinheit 5 i ist über ein eigenes erstes Steuerventil 20 der Hydraulikpumpe 5 mit der ersten Hydraulikleitung 6 und über ein eigenes zweites Steuerventil 21 der Hydraulikpumpe 5 mit der zweiten Hydraulik- leitung 15 verbunden. Die Steuereinrichtung 10 ist in diesem Fall dazu ausgebildet, die ersten und zweiten Steuerventile 20, 21 der Hydraulikpumpe 5 in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Drehmoment M L zu steuern. Optional weisen die zumindest zwei Pumpeinheiten 5 i voneinander verschiedene Pumpleistungen auf, z.B. sind die Pumpleistungen der Pumpeinheiten 5 i kaskadiert, sodass sich bei gleicher Drehgeschwindigkeit ω des Rotors 3 Pumpleistungen im Verhältnis von z.B. 1 : 2 : 4 etc. ergeben. Das Drehmoment M L wird im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit v vorgegeben. Optional ist die Steuer- einrichtung 10 dazu ausgebildet, die Drehgeschwindigkeit ω des Rotors 3 zu regeln und dabei auf Grundlage von Gleichung (2) das Drehmoment M L der Hydraulikpumpe 5 gemäß vorzugeben, wobei ω soll eine gewünschte Drehgeschwindigkeit des Rotors 3 ist. Wie im Beispiel der Fig. 3 dargestellt, hat dazu die Steu- ereinrichtung 10 eine Regeleinheit 22 zur Regelung der Drehge- schwindigkeit ω des Rotors 3. Die Regeleinheit 22 erhält vom Drehsensor 19 die Drehgeschwindigkeit ω 1 des Rotors 3 zum ers- ten Zeitpunkt t 1 und vom Windsensor 18 die im luvseitigen Ab- stand l vom Rotor 3 erfasste Windgeschwindigkeit v, sowie opti- onal die Windgeschwindigkeit v 1 am Rotor 3. Daraus ermittelt eine Recheneinheit 23 der Steuereinrichtung 10 die gewünschte Drehgeschwindigkeit ω soll des Rotors 3. Je nach vorgegebenem Zeitintervall t 12 kann die gewünschte Drehgeschwindigkeit ω soll mit der Drehgeschwindigkeit ω 2 zum zweiten Zeitpunkt t 2 zusam- menfallen; alternativ liegt die gewünschte Drehgeschwindigkeit ω soll entweder zwischen beiden Drehgeschwindigkeiten ω 1 , ω 2 oder aber höher oder tiefer als beide Drehgeschwindigkeiten ω 1 , ω 2 , z.B. wenn das vorgegebene Zeitintervall t12 größer als die Dau- er einer Windbö oder so klein ist, dass die gewünschte Drehge- schwindigkeit ω soll extrapoliert wird. Die Regeleinheit 22 gibt das Drehmoment M L einer optiona- len Ventilsteuereinheit 24 der Steuereinrichtung 10 vor, welche die ersten und zweiten Steuerventile 20, 21 der Hydraulikpumpe 5 in Abhängigkeit vom Drehmoment M L und optional von einem Drehwinkel α des Rotors 3 und/oder von einem Druck p 1 , p 2 der Hydraulikflüssigkeit 11 im ersten bzw. zweiten Hydraulikspei- cher 12, 17 ansteuert. Es versteht sich, dass dabei die ersten Steuerventile 20 und zweiten Steuerventile 21 jeder Pumpeinheit 5 i der Hydraulikpumpe 5 separat angesteuert werden können, wie in Fig. 2 durch die strichliert dargestellten Pfeile 25 ver- sinnbildlicht ist. Ferner könnte die Steuereinrichtung 10 zu- sätzlich eine Pitchverstellung des Rotors 3 vornehmen, wenn dies in einigen oder allen Betriebszuständen der Vorrichtung 1 gewünscht ist. Optional kann die Steuereinrichtung 10 dazu ausgebildet sein, zumindest eine der Pumpeinheiten 5 i in Abhängigkeit vom vorgegebenen Drehmoment M L in einen Leerlaufbetrieb zu verset- zen oder überhaupt abzuschalten. Diese Situation ist im Bei- spiel der Fig. 2 durch einen optionalen Leerlaufspeicher 26 versinnbildlicht, in welchen die Pumpeinheit 5 1 durch Öffnen eines Leerlauf-Steuerventils 27 und gleichzeitiges Schließen der ersten und zweiten Steuerventile 20, 21 Hydraulikflüssig- keit 11 pumpt und aus welchem sie infolge unveränderter Ventil- stellungen in weiterer Folge Hydraulikflüssigkeit 11 ansaugt. Es sei angemerkt, dass ein vergleichbarer Leerlaufbetrieb er- zielbar ist, wenn während des Pumpens und Ansaugens jeweils nur entweder das erste oder das zweite Steuerventil 20, 21 geöffnet und das jeweils andere Steuerventil 20, 21 geschlossen bleibt. Das Abschalten der Pumpeinheit 5 i erfolgt durch Entkoppeln von der Rotorwelle 4 (nicht dargestellt). Anhand der Fig. 4a bis 4c soll im Folgenden das Umwandeln der Windenergie einer beispielhaften Windbö 28 in elektrische Energie mithilfe der Vorrichtung 1 näher erläutert werden. Die Windbö 28 ist in Fig. 4a in ihrem Zeitverlauf darge- stellt. Dabei hat der Wind 2 zunächst eine Windgeschwindigkeit v von 10 m/s, steigt nach einer Sekunde linear bis zu einem Scheitelwert 20 m/s an, welchen die Windbö 28 nach weiteren 2,5 s erreicht und für 2,5 s hält, worauf die Windgeschwindig- keit v innerhalb von 2,5 s wieder auf den ursprünglichen Wert von 10 m/s abfällt. In Fig. 4a ist ferner ein beispielhaftes Zeitintervall t 12 zwischen zwei beispielhaften Zeitpunkten t 1 , t 2 dargestellt. Für die Windbö 28 von Fig. 4a ist in Fig. 4b mit strich- lierter Linie die vorhandene Windenergie W v (in MJ) darge- stellt. Die strichpunktierte Linie zeigt dazu die zur Beschleu- nigung des Rotors 3 notwendige Energie W a , welche im stationä- ren Betrieb entlang der Nulllinie 29 verläuft, beim Beschleuni- gen aufzubringen und daher negativ ist und beim Verzögern frei wird und dann positiv ist. Die durchgezogene Linie bezeichnet den Verlauf der aufnehmbaren Windenergie Wn,12 und ist die Summe von vorhandener Windenergie W v und Beschleunigungsenergie W a . Über den dargestellten Zeitverlauf ist die Hydraulikpumpe 5 zu- nächst im Pumpbetrieb, und zwar bis zu einem Zeitpunkt t v1 , zu welchem das vorgegebene Kriterium erfüllt ist (hier: W n,12 < 0), worauf die Steuereinrichtung 10 die Hydraulikpumpe 5 vom Pump- betrieb in den Motorbetrieb versetzt, siehe den schraffierten Bereich B unterhalb der Nulllinie 29. Wenn die aufnehmbare Windenergie W n,12 die Nulllinie 29 zu einem Zeitpunkt t v2 wieder passiert, versetzt die Steuereinrichtung 10 die Hydraulikpumpe 5 vom Motorbetrieb wiederum in den Pumpbetrieb. Es versteht sich, dass das Versetzen durch eine Änderung des Ansteuerns der ersten und zweiten Steuerventile 20, 21 und/oder des Leerlauf-Steuerventils 27 je nach Erfordernis er- folgt, u.zw. optional separat für die einzelnen Pumpeinheiten 5 i . Dabei ist die Hydraulikpumpe 5 im Motorbetrieb, wenn die allenfalls separat angesteuerten Pumpeinheiten 5 i in Summe den Rotor 3 antreiben, und andernfalls im Pumpbetrieb (oder im Leerlaufbetrieb). Im Beispiel der Fig. 4b ist erkennbar, dass die aufnehmba- re Windenergie W n,12 durch das Beschleunigen und Ausnutzen der Windbö 28 trotz des kurzzeitigen Motorbetriebs B der Hydraulik- pumpe 5 im Schnitt über die gesamte in diesem Diagramm darge- stellte Zeitspanne wesentlich höher ist als ohne Ausnutzung der Windbö 28. Fig. 4c zeigt die den Beispielen der Fig. 4a und 4b zuge- hörigen Verläufe des Rotormoments M R (strichlierte Linie) bzw. des Lastmoments M L (durchgezogene Linie), hier jeweils in MNm. Es versteht sich, dass das Lastmoment M L , während die Hydrau- likpumpe 5 in den Motorbetrieb versetzt ist, ebenfalls negativ ist. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungs- formen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten, Modifikatio- nen und deren Kombinationen, die in den Rahmen der angeschlos- senen Ansprüche fallen.