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EP3529490A1 - Verstelleinrichtung für ein rotorblatt einer windenergieanlage sowie eine windenergieanlage damit und verfahren dafür - Google Patents

Verstelleinrichtung für ein rotorblatt einer windenergieanlage sowie eine windenergieanlage damit und verfahren dafür

Info

Publication number
EP3529490A1
EP3529490A1 EP17786922.9A EP17786922A EP3529490A1 EP 3529490 A1 EP3529490 A1 EP 3529490A1 EP 17786922 A EP17786922 A EP 17786922A EP 3529490 A1 EP3529490 A1 EP 3529490A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
wind turbine
blade
stator
rotor blade
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17786922.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer SCHLÜTER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wobben Properties GmbH filed Critical Wobben Properties GmbH
Publication of EP3529490A1 publication Critical patent/EP3529490A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/065—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D1/0658—Arrangements for fixing wind-engaging parts to a hub
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/70—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
    • F05B2260/79—Bearing, support or actuation arrangements therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to the field of wind turbines, in particular the turning of a rotor blade of a wind turbine with respect to a hub of the wind turbine. This rotation of the rotor blade is also called pitching.
  • an active pitch of a wind turbine is well known.
  • the blade adjustment is used for selectively reducing the operating speed at wind speeds above a defined wind speed threshold.
  • the pitch adjustment serves to set an optimal speed of the aerodynamic rotor of a wind turbine to adapt to the prevailing wind speeds.
  • the blade adjustment is carried out by the blade root of a rotor blade of a wind turbine is rotated about the rotor blade longitudinal axis relative to the hub of a wind turbine. This is usually done with an electric motor that drives a pinion, ie a small gear, via a gearbox.
  • the pinion which may also be part of a transmission, engages in another large gear, which is arranged for example on the rotor blade root.
  • the rotor blade root along its outer periphery on an outer toothing, which then forms the gear, in which engages the pinion of the transmission.
  • the gear at the blade root for example, a diameter of at least one meter, with diameters of several meters, for example, more than three or more than four meters, in wind turbines with very large rotor blades are possible.
  • twisting devices have so far been a suitable way to allow the rotation of the rotor blade relative to the rotor hub.
  • an adjusting device would be desirable, which can make large changes in the angle of a rotor blade within a revolution of the aerodynamic rotor, at a conventional speed of for example 10 to 20 revolutions per minute. Particularly preferably, this turning takes place in one direction and in the other direction within one to a few seconds.
  • a back and forth rotation of the rotor blade should also be possible during each revolution of a wind turbine.
  • Object of the present invention is therefore to meet one of the problems of the prior art mentioned above.
  • an improved compared to the prior art adjusting device is to be made available to rotate the rotor blades of a wind turbine as quickly as possible and often with respect to a hub of the wind turbine.
  • German Patent and Trademark Office has in the priority application for the present application, the following prior art research: DE 10 2010 005 538 A1, DE 10 2009 018 361 B4, DE 10 2014 203 508 A1, DE 10 201 1 055 149 A1, DE 20 2005 015 774 U1 and DE 10 2010 010 639 A1.
  • the invention relates to a wind turbine with a rotor.
  • the rotor can also be called an aerodynamic rotor.
  • the rotor comprises at least one rotor blade and a rotor hub.
  • the rotor blade is rotatably mounted on the rotor hub about a longitudinal axis of the rotor blade.
  • the wind turbine comprises an adjusting device with an electric motor having a stator and a rotor.
  • the rotor of the electric motor can also be referred to as rotor, in which case the term rotor is preferably used to avoid confusion with the aerodynamic rotor of the wind turbine.
  • the rotor is fixed to the rotor hub and the stator fixed to the Rotor blade connected.
  • the rotor is firmly connected to the rotor blade and the stator fixed to the rotor hub.
  • Permanently connected here means a gearless or untranslated connection.
  • a fixed connection means, for example, the presence of a direct screw connection, welding or riveting of the corresponding parts to one another.
  • the invention therefore, no translation or a gear for adjusting the rotor blade, so for rotating the rotor blade about a longitudinal axis of the rotor blade, relative to the rotor hub is necessary.
  • the adjusting device is thus gearless or translating. Thanks to this gearless or translationless design of the adjusting device thus a particularly rapid adjustment of the rotor blade is possible.
  • a fast Power control also allows for turbulent air flow to adjust the rotor blades so that the wind turbine is operated closer to its power limit, since in the case of an increasing wind quickly changing the blade angle is possible, so that the performance limits are not exceeded despite the wind changes.
  • the stator of the electric motor is connected to the hub and the rotor of the electric motor to the rotor blade.
  • the motor according to this embodiment is a permanent magnet motor. That is, the rotor of the electric motor is formed of permanent magnets or permanent magnets. These are in your arrangement in the circumferential direction of the rotor preferably aligned alternately in the north and south pole. Thanks to a permanent magnet motor, it is not necessary to transfer electrical energy via slip rings to the rotor in order to generate an electric field. The adjusting device is thus even more robust.
  • the permanent magnet motor is designed as a hybrid motor, in which the permanent magnets of the rotor are formed serrated. This results in the advantage of a smaller pitch and thus a more precise adjustment of the rotor blade.
  • the rotor blade is rotatably mounted with a rolling bearing on the rotor hub.
  • the rolling bearing comprises a first ring and a second ring, between which rolling bodies are arranged.
  • the rotor of the electric motor is connected to the first ring, in particular an outer ring of the rolling bearing, or integrated into the first ring.
  • the stator is connected to the second ring, in particular an inner ring of the rolling bearing, or integrated into the second ring.
  • the rings are respectively connected to the rotor blade or the rotor hub, so over the rings of the rotor and the stator are respectively connected to the rotor blade or the rotor hub.
  • the rolling bearing serves to securely hold the rotor blade to the rotor hub, at the same time allowing adjustment of the rotor blade about the longitudinal axis of the rotor blade. Accordingly, by the bearing between the rotor blade and the rotor hub by the rolling bearing movement is essentially limited to the rotation of the rotor blade relative to the rotor hub. If, as in this embodiment, the electric motor is arranged in the region of the roller bearing, then the steps of the rotor relative to the stator can be adjusted particularly precisely, since essentially no forces are exerted on the rotor and stator which displace their arrangement relative to one another.
  • the rotor and the stator of the electric motor are integrated in the peripheral areas laterally to the guides of the rolling bodies in the first and second ring of the rolling bearing. Accordingly, if the rotor is integrated in the first ring and the stator is integrated in the second ring, the two rings can be aligned with one another during assembly of the rolling bearing and the rolling elements can be introduced into the guide, whereby at the same time runners and stator of the electric motor of the adjusting device to one another be aligned. Fast assembly is thus possible.
  • the electric motor has a high pole and preferably has a pole pair number of at least 48 or at least 96 poles, preferably at least 360 poles. Due to the high-pole design of the electric motor, a precise adjustment of the blade angle is possible even in full step or half step during operation of the motor. At the same time a sufficient torque despite relatively small selectable permanent magnet for the movement of the rotor blade and also for holding the rotor blade in a set position can be applied.
  • the electric motor can be operated in micro-step mode and is designed to rotate the rotor blade in increments of less than 1 °, preferably less than 0.5 °, for example 0, 1 "increments
  • the stator has a diameter of at least one meter, preferably at least two or at least three meters.
  • the electric motor is arranged in the region of the blade root along the circumference of the blade root.
  • a stepping motor with high torque can be realized, which can be realized from a plurality of poles with relatively small magnetic or electric fields.
  • commercially available permanent magnets for motors can be used, for example, without having to use particularly strong permanent magnets, which are at the same time very expensive.
  • the stepping motor can thus be suitably designed as a ring stepping motor, that is to say that the center of the stator can be equipped, for example, open or with one passage, in order thereby to pass, for example, electrical lines, for example for sensors on the rotor blade, from the rotor blade to the rotor hub ,
  • the adjusting device comprises at least one sensor, which is arranged on the rotor blade and is adapted to measure the air pressure.
  • the adjusting device comprises a controller which is set up to control the electric motor as a function of the air pressure measured with the sensor.
  • the adjusting device comprises at least two sensors, wherein the first sensor is arranged in the region of the blade tip on the suction side and the second sensor in the region of the blade tip on the pressure side.
  • the electric motor is arranged to rotate the rotor blade relative to the hub within one revolution of the rotor by at least 40 degrees or at least 50 degrees, preferably up to 60 degrees, about a longitudinal axis of the rotor blade. If we are talking about 60 degrees, then it is meant a rotation of 60 degrees in one direction, but also a rotation of 30 degrees in one direction and 30 degrees in the opposite direction.
  • the adjusting device comprises a rolling bearing, wherein the electric motor is integrated in the rolling bearing or connected thereto.
  • the rolling bearing comprises a first and a second ring, between which rolling bodies are arranged, wherein the rotor is connected to the first ring or integrated in this and the stator is connected to the second ring or integrated in this.
  • the invention relates to a method for adjusting a rotor blade of a wind turbine with an adjusting device according to one of the aforementioned embodiments.
  • FIG. 1 shows a wind energy plant
  • the pitch angle of the respective rotor blades 108 that is to say the orientations of the rotor blades 108 about the longitudinal axis of the respective rotor blade 108, can be changed by pitch motors on the rotor blade roots of the respective rotor blades 108.
  • the rotor blade 108 has a blade tip 36, which is shown in Fig. 3 in cross section.
  • the blade tip 36 has a suction side 38 and a pressure side 40.
  • a sensor 42 is arranged, which is designed in each case as a pressure sensor.
  • the differential pressure of the opposite sides 38, 40 of a blade string 44 can be determined. If a wind direction, as represented by the line 46, is assumed, this can be determined by measuring the difference with the sensors 42 and determining an optimum angle of attack 48 for them.
  • the electric motor 30 can be controlled so that an optimal blade angle, ie pitch angle, is adjustable.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor (106). Der Rotor (106) umfasst mindestens ein Rotorblatt (108) und eine Rotornabe (110), wobei das Rotorblatt (108) um eine Längsachse des Rotorblatts (108) drehbar an der Rotornabe (110) gelagert ist. Ferner umfasst der Rotor (106) eine Verstelleinrichtung mit einem Elektromotor (30) mit einem Stator (28) und einem Läufer (32), wobei der Läufer (32) fest mit der Rotornabe (110) und der Stator (28) fest mit dem Rotorblatt (108) oder der Läufer (32) fest mit dem Rotorblatt (108) und der Stator (28) fest mit der Rotornabe (110) verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verstelleinrichtung einer Windenergieanlage (100) sowie ein Verfahren zum Verstellen eines Rotorblatts (108) einer Windenergieanlage (100).

Description

Versteileinrichtung für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage damit und Verfahren dafür
Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von Windenergieanlagen, insbesondere das Drehen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage gegenüber einer Nabe der Windenergieanlage. Dieses Drehen des Rotorblatts wird auch Pitchen genannt.
Gemäß dem Stand der Technik ist eine aktive Blattverstellung einer Windenergieanlage hinlänglich bekannt. Beispielsweise dient die Blattverstellung zum gezielten Reduzieren der Betriebsdrehzahl bei Windgeschwindigkeiten oberhalb einer definierten Windgeschwindigkeitsschwelle. Andererseits dient die Blattverstellung zum Einstellen einer optimalen Drehzahl des aerodynamischen Rotors einer Windenergieanlage zur Anpassung an die vorherrschenden Windgeschwindigkeiten. Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Blattverstellung erfolgt, indem die Blattwurzel eines Rotorblatts einer Windenergieanlage um die Rotorblattlängsachse gegenüber der Nabe einer Windenergieanlage gedreht wird. Dies erfolgt üblicherweise mit einem Elektromotor, der über ein Getriebe ein Ritzel, also ein kleines Zahnrad, antreibt. Dabei greift das Ritzel, das auch Teil eines Getriebes sein kann, in ein weiteres großes Zahnrad ein, das beispielsweise an der Rotorblattwurzel angeordnet ist. Beispielsweise weist die Rotorblattwurzel entlang ihrem äußeren Umfang eine Außenverzahnung auf, die dann das Zahnrad, in das das Ritzel des Getriebes eingreift, bildet.
Demnach weist das Zahnrad an der Blattwurzel beispielsweise einen Durchmesser von mindestens einem Meter auf, wobei auch Durchmesser von mehreren Metern, zum Beispiel mehr als drei oder mehr als vier Metern, bei Windenergieanlagen mit sehr großen Rotorblättern möglich sind.
Derartige Verdreheinrichtungen stellten bislang eine geeignete Möglichkeit dar, um das Verdrehen des Rotorblatts gegenüber der Rotornabe zu ermöglichen.
Um neben Anforderungen an die Leistungsoptimierung in Abhängigkeit der Windge- schwindigkeit weitere Bedingungen, wie Anforderungen zur Geräuschminimierung oder zur Erhöhung der Standzeiten, zu erfüllen, werden in jüngster Zeit auch die Anforderungen an die Möglichkeiten der Blattverstellung erhöht. Demnach ist es wünschenswert, jedes einzelne Rotorblatt unabhängig von den anderen Rotorblättern sehr häufig und möglichst schnell zu verstellen.
Beispielsweise wäre eine Versteileinrichtung wünschenswert, die innerhalb einer Umdrehung des aerodynamischen Rotors, bei einer üblichen Drehzahl von beispielsweise 10 bis 20 Umdrehungen pro Minute, große Winkeländerungen eines Rotorblatts ausführen kann. Besonders bevorzugt findet dieses Drehen in die eine und in die andere Richtung innerhalb von einer bis zu wenigen Sekunden statt. Ein Hin- und Herdrehen des Rotorblatts soll ferner während jeder Umdrehung einer Windenergieanlage möglich sein.
Mit den herkömmlichen Versteileinrichtungen sind diese Anforderungen nicht zu erfüllen, da diese zu träge sind, um die gewünschten Geschwindigkeiten beim Verdrehen zu erreichen. Außerdem ist der Verschleiß bei dem gewünschten häufigen Verdrehen aufgrund des hierbei zu erwartenden Verschleißes des Getriebes sehr hoch, sodass geringe Standzeiten die Folge wären.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einem der eingangs genannten Probleme des Standes der Technik zu begegnen. Insbesondere soll eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Versteileinrichtung zur Verfügung gestellt werden, um Rotorblätter einer Windenergieanlage möglichst schnell und häufig gegenüber einer Nabe der Windenergieanlage zu verdrehen.
Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung den folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 10 2010 005 538 A1 , DE 10 2009 018 361 B4, DE 10 2014 203 508 A1 , DE 10 201 1 055 149 A1 , DE 20 2005 015 774 U1 und DE 10 2010 010 639 A1.
Hierzu betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage mit einem Rotor. Der Rotor kann auch als aerodynamischer Rotor bezeichnet werden. Der Rotor umfasst mindestens ein Rotorblatt und eine Rotornabe. Das Rotorblatt ist um eine Längsachse des Rotorblatts drehbar an der Rotornabe gelagert.
Ferner umfasst die Windenergieanlage eine Versteileinrichtung mit einem Elektromotor, der einen Stator und einen Läufer aufweist. Der Läufer des Elektromotors kann auch als Rotor bezeichnet werden, wobei hier zur Vermeidung der Verwechslung mit dem aerody- namischen Rotor der Windenergieanlage bevorzugt der Begriff Läufer verwendet wird. Erfindungsgemäß ist nun der Läufer fest mit der Rotornabe und der Stator fest mit dem Rotorblatt verbunden. Alternativ ist der Läufer fest mit dem Rotorblatt und der Stator fest mit der Rotornabe verbunden. Fest verbunden bedeutet hier eine getriebelose oder übersetzungslose Verbindung. Unter einer festen Verbindung ist demnach zum Beispiel das Vorhandensein einer direkten Verschraubung, Verschweißung oder Vernietung der entsprechenden Teile miteinander zu verstehen. Gemäß der ersten Alternative kann somit der Läufer als Teil der Rotornabe und der Stator als Teil des Rotorblatts angesehen werden. Gemäß der zweiten Alternative kann somit der Läufer als Bestandteil des Rotorblatts und der Stator als Bestandteil der Rotornabe betrachtet werden.
Dank der Erfindung ist daher keine Übersetzung oder ein Getriebe zum Verstellen des Rotorblatts, also zum Drehen des Rotorblatts um eine Längsachse des Rotorblatts, gegenüber der Rotornabe nötig. Die Versteileinrichtung ist somit getriebelos oder übersetzungslos. Dank dieser getriebelosen oder übersetzungslosen Ausgestaltung der Versteileinrichtung ist somit ein besonders schnelles Verstellen des Rotorblatts möglich.
Bei herkömmlichen bekannten Versteileinrichtungen mit einem Getriebe erfolgt durch das Getriebespiel und die Anlaufzeit des Motors eine zeitliche Verzögerung vom Zeitpunkt des Aktivierens des Elektromotors bis zum tatsächlichen Verstellen des Rotorblatts. Hierdurch erfolgt eine zeitliche Verzögerung, die gemäß der Erfindung nicht mehr auftreten kann. Somit lassen sich dank der Erfindung die Rotorblätter einer Windenergieanlage beispielsweise bei jeder Umdrehung ausrichten. Auch der Verschleiß der Versteileinrichtung ist durch die Getriebelosigkeit minimiert, sodass eine im Vergleich zu herkömmlichen Versteileinrichtungen häufigere Verstellung des Rotorblatts oder der Rotorblätter möglich ist.
Dank der nun möglichen Robustheit und Geschwindigkeit der Versteileinrichtung ist es nunmehr auch möglich, den Azimutantrieb einer Windenergieanlage, der den aerodyna- mischen Rotor mit der Gondel gegenüber dem Turn der Windenergieanlage dreht, zu entlasten. Durch präzises Einstellen der Rotorblätter werden nämlich die auf den aerodynamischen Rotor wirkenden Kräfte gleichmäßig verteilt.
Außerdem wird durch einen bei jeder Umdrehung des Rotors einstellbaren Blattwinkel eine gleichmäßige Blattumströmung und damit eine gleichmäßige Belastung des Rotors hervorgerufen, sodass Geräusche, die durch die Strömung am Blatt sowie aber auch durch Lager des Generators erzeugt werden, reduziert werden. Die Windenergieanlage wird demnach bei gleicher oder sogar höherer Leistung weniger belastet. Eine schnelle Leistungsregelung ermöglicht außerdem bei turbulenter Luftströmung die Rotorblätter so einzustellen, dass die Windenergieanlage näher im Bereich ihrer Leistungsgrenze betrieben wird, da im Falle eines zunehmenden Windes schnell eine Änderung des Blattwinkels möglich ist, sodass die Leistungsgrenzen trotz der Windänderungen nicht übertreten werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Elektromotor ein Schrittmotor. Ein Schrittmotor an sich ist bekannt und entspricht üblicherweise einem Synchronmotor, bei dem vom Stator ein gesteuertes schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Den hierdurch entstehenden Schritten folgt der Läufer, sodass dieser in Abhängig- keit der Steuerung des Stators um einen oder mehrere Schritte gedreht werden kann.
Der Einsatz eines Schrittmotors, der vorliegend auch Ringschrittmotor genannt wird, ist vorteilhaft, da Schrittmotoren robust herstellbar sind und somit zu einer hohen Ausfallsicherheit der Versteileinrichtung beitragen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Stator des Elektromotors mit der Nabe und der Läufer des Elektromotors mit dem Rotorblatt verbunden. Außerdem ist der Motor gemäß dieser Ausführungsform ein Permanentmagnetmotor. Das heißt, der Läufer des Elektromotors wird aus Dauermagneten oder Permanentmagneten gebildet. Diese sind in Ihrer Anordnung in Umfangsrichtung des Läufers vorzugsweise abwechselnd in Nord- und Südpolrichtung ausgerichtet. Dank einem Permanentmagnetmotor ist es nicht nötig, elektrische Energie über Schleifringe zum Läufer zu übertragen, um hier ein elektrisches Feld zu erzeugen. Die Versteileinrichtung wird somit noch robuster. Besonders bevorzugt ist der Permanentmagnetmotor als Hybridmotor ausgebildet, bei dem die Permanentmagneten des Läufers gezahnt ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer geringeren Schrittweite und somit einer präziseren Einstellung des Rotorblatts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Rotorblatt drehbar mit einem Wälzlager an der Rotornabe gelagert. Das Wälzlager umfasst einen ersten Ring und einen zweiten Ring, zwischen denen Rollkörper angeordnet sind. Der Läufer des Elektromotors ist mit dem ersten Ring, insbesondere einem Außenring des Wälzlagers, verbunden oder in den ersten Ring integriert. Außerdem ist der Stator mit dem zweiten Ring, insbesondere einem Innenring des Wälzlagers, verbunden oder in den zweiten Ring integriert. Die Ringe sind entsprechend mit dem Rotorblatt oder der Rotornabe verbunden, sodass über die Ringe der Läufer und der Stator entsprechend mit dem Rotorblatt oder der Rotornabe verbunden sind.
Das Wälzlager dient zum sicheren Halten des Rotorblatts an der Rotornabe, wobei gleichzeitig ein Verstellen des Rotorblatts um die Längsachse des Rotorblatts ermöglicht wird. Demnach ist durch die Lagerung zwischen Rotorblatt und Rotornabe durch das Wälzlager eine Bewegung im Wesentlichen auf die Rotation des Rotorblatts gegenüber der Rotornabe beschränkt. Wird nun - wie gemäß dieser Ausführungsform - der Elektromotor im Bereich des Wälzlagers angeordnet, so lassen sich die Schritte des Läufers gegenüber dem Stator besonders präzise einstellen, da auf Läufer und Stator im Wesent- liehen keine Kräfte ausgeübt werden, die deren Anordnung zueinander verschieben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Läufer und der Stator des Elektromotors in die umlaufenden Bereiche seitlich zu den Führungen der Rollkörper in den ersten und zweiten Ring des Wälzlagers integriert. Ist demnach der Läufer in den ersten Ring integriert und ist der Stator in den zweiten Ring integriert, so lassen sich bei der Montage des Wälzlagers die beiden Ringe zueinander ausrichten und die Rollkörper in die Führung einbringen, wodurch gleichzeitig Läufer und Stator des Elektromotors der Versteileinrichtung zueinander ausgerichtet werden. Eine schnelle Montage ist somit möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor hochpolig und weist vorzugsweise eine Polpaarzahl von mindestens 48 oder mindestens 96 Polen, vorzugsweise mindestens 360 Pole, auf. Durch die hochpolige Ausbildung des Elektromotors ist bereits im Vollschritt oder Halbschritt im Betrieb des Motors eine präzise Verstellung des Blattwinkels möglich. Gleichzeitig ist auch ein ausreichendes Drehmoment trotz verhältnismäßig klein wählbaren Permanentmagneten für die Bewegung des Rotorblatts sowie aber auch für das Halten des Rotorblatts in einer eingestellten Position aufbringbar. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor im Mikroschrittbetrieb betreibbar und ist ausgebildet, das Rotorblatt in Schrittweiten von weniger als 1 °, vorzugsweise weniger als 0,5°, zum Beispiel 0, 1 "-Schritten, zu drehen. Eine besonders präzise Einstellung der Rotorblattwinkel auf die vorherrschenden Strömungsverhältnisse ist somit möglich. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Stator einen Durchmesser von mindestens einem Meter, vorzugsweise mindestens zwei oder mindestens drei Metern, auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor im Bereich der Blattwurzel entlang dem Umfang der Blattwurzel angeordnet.
Dank dieser Anordnung bzw. des großen Durchmessers ist somit ein Schrittmotor mit hohem Drehmoment realisierbar, der aus einer Vielzahl von Polen mit verhältnismäßig geringen magnetischen bzw. elektrischen Feldern realisiert werden kann. Es können demnach beispielsweise handelsübliche Permanentmagneten für Motoren eingesetzt werden, ohne dass besonders starke Permanentmagneten, die gleichzeitig sehr teuer sind, Verwendung finden müssen. Außerdem lässt sich somit der Schrittmotor in geeigneter Weise als Ringschrittmotor ausbilden, das heißt, dass das Zentrum des Stators bei- spielsweise offen oder mit einem Durchgang ausgestattet werden kann, um hierdurch beispielsweise elektrische Leitungen, beispielsweise für Sensoren am Rotorblatt, vom Rotorblatt zur Rotornabe hindurchzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Versteileinrichtung mindestens einen Sensor, der am Rotorblatt angeordnet ist und eingerichtet ist, den Luftdruck zu messen. Außerdem umfasst die Versteileinrichtung eine Steuerung, die eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit des mit dem Sensor gemessenen Luftdrucks anzusteuern. Somit ist es möglich, dass sich das Rotorblatt immer ideal auf ändernde Luftströmungen ausrichten kann und somit eine gleichmäßige, auf den ganzen Rotor verteilte Last erhalten wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Versteileinrichtung mindestens zwei Sensoren, wobei der erste Sensor im Bereich der Blattspitze auf der Saugseite und der zweite Sensor im Bereich der Blattspitze auf der Druckseite angeordnet ist. Hierdurch lässt sich der Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite messen, sodass das Rotorblatt in Abhängigkeit dieses Differenzdrucks auf eine ideale Umströmung einstellbar ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor eingerichtet, das Rotorblatt gegenüber der Nabe innerhalb einer Umdrehung des Rotors um mindestens 40 Grad oder mindestens 50 Grad, vorzugsweise bis zu 60 Grad, um eine Längsachse des Rotorblatts zu verdrehen. Wenn hier von 60 Grad die Rede ist, dann ist einerseits eine Drehung von 60 Grad in eine Richtung, allerdings auch eine Drehung von 30 Grad in die eine und 30 Grad in die entgegengesetzte Richtung gemeint.
Durch den Einsatz eines derartig schnellen Motors ist es möglich, auch auf turbulente Windströmungen schnell reagieren zu können. Ferner umfasst die Erfindung eine Versteileinrichtung einer Windenergieanlage, vorzugsweise nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen. Die Versteileinrichtung umfasst einen Elektromotor mit einem Stator und einem Läufer. Der Elektromotor ist vorzugsweise ein Schrittmotor. Der Läufer des Elektromotors ist eingerichtet, fest mit der Rotornabe einer Windenergieanlage und der Stator fest mit dem Rotorblatt einer Windenergieanlage verbunden zu werden. Alternativ hierzu ist der Läufer eingerichtet, fest mit dem Rotorblatt einer Windenergieanlage und der Stator fest mit der Rotornabe einer Windenergieanlage verbunden zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Versteileinrichtung umfasst die Versteileinrichtung ein Wälzlager, wobei der Elektromotor in das Wälzlager integriert oder mit diesem verbunden ist. Vorzugsweise umfasst das Wälzlager einen ersten und einen zweiten Ring, zwischen denen Rollkörper angeordnet sind, wobei der Läufer mit dem ersten Ring verbunden oder in diesen integriert ist und der Stator mit dem zweiten Ring verbunden oder in diesen integriert ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verstellen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage mit einer Versteileinrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich anhand der in den Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele. Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage,
Fig. 2 ein Rotorblatt mit einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und
Fig. 3 einen Querschnitt der Blattspitze eines Rotorblatts mit Drucksensoren.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einer Rotornabe 1 10, die auch Spinner genannt wird, vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage 100 durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Der Pitchwinkel der jeweiligen Rotorblätter 108, also die Ausrichtungen der Rotorblätter 108 um die Längsachse des jeweiligen Rotorblatts 108, kann durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden.
Fig. 2 zeigt ein Rotorblatt 108 einer Windenergieanlage 100, wobei dieses in der vorlie- genden Darstellung von der Rotornabe 1 10 getrennt ist. Somit lässt sich im Bereich der Blattwurzel 20 in das Innere des Rotorblatts 108 hineinsehen. Im Bereich der Blattwurzel 20 ist ein Wälzlager 22 schematisch durch einen ersten Ring 24 und einen zweiten Ring 26 dargestellt. Mit dem zweiten Ring 26 ist ein (nur schematisch dargestellter) Stator 28 eines Schrittmotors 30 verbunden. Außerdem ist ein Läufer 32 des Schrittmotors 30 (nur schematisch) dargestellt, der mit dem ersten Ring 24 des Wälzlagers 22 verbunden ist. Zwischen dem Läufer 32 und dem Stator 28 ist ein Luftspalt 34 angeordnet. Der Läufer 32 ist mit Permanentmagneten gebildet und im Stator 28 lässt sich ein elektrisches Feld durch Statorwicklungen erzeugen. Hinter dem hier schematisch dargestellten Läufer 32 und Stator 28 sind nicht sichtbare Rollkörper des Wälzlagers 22 angeordnet. Der erste Ring 24 ist durch Verschraubungen 33 am Rotorblatt 108 fest verbunden. Somit ist der Läufer 32 über den ersten Ring 24 mit dem Rotorblatt 108 verbunden. Der zweite Ring 26 lässt sich über weitere Verschraubungen 35 mit der Rotornabe 1 10 verbinden, sodass nach Verbindung auch der Stator 28 fest mit der Rotornabe 1 10 verbunden ist.
Wird nun der Elektromotor 30, insbesondere durch Ansteuern der Statorwicklungen, angesteuert, sodass ein elektrisches Feld erzeugt wird, so werden die hier nicht dargestellten Permanentmagneten des Läufers 32 in ihrer Position durch das Feld verschoben, sodass sich das Rotorblatt 108 gegenüber der Rotornabe 1 10 dreht.
Das Rotorblatt 108 weist eine Blattspitze 36 auf, die in Fig. 3 im Querschnitt dargestellt ist. Die Blattspitze 36 weist eine Saugseite 38 und eine Druckseite 40 auf. Im Bereich der Saugseite 38 und im Bereich der Druckseite 40 ist jeweils ein Sensor 42 angeordnet, der jeweils als Drucksensor ausgebildet ist. Mit diesen Drucksensoren 42 lässt sich der Differenzdruck der gegenüberliegenden Seiten 38, 40 einer Blattsehne 44 bestimmen. Wird nun eine Windrichtung, wie durch die Linie 46 dargestellt, vorausgesetzt, lässt sich diese durch die Differenzmessung mit den Sensoren 42 feststellen und ein optimaler Anstellwinkel 48 für diese bestimmen. Mittels einer Ansteuerung, die hier zur besseren Übersicht nicht dargestellt ist, lässt sich somit der Elektromotor 30 so ansteuern, dass ein optimaler Blattwinkel, also Pitchwinkel, einstellbar ist.

Claims

Ansprüche
1. Windenergieanlage mit einem Rotor (106), wobei der Rotor (106) mindestens ein Rotorblatt (108) und eine Rotornabe (110) umfasst, wobei das Rotorblatt (108) um eine Längsachse des Rotorblatts (108) drehbar an der Rotornabe (1 10) gelagert ist, und die Windenergieanlage (100) eine Versteileinrichtung mit einem Elektromotor (30) mit einem Stator (28) und einem Läufer (32) umfasst, wobei der Läufer (32) fest mit der Rotornabe (1 10) und der Stator (28) fest mit dem Rotorblatt (108) oder der Läufer (32) fest mit dem Rotorblatt (108) und der Stator (28) fest mit der Rotornabe (1 10) verbunden ist.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1 , wobei der Elektromotor (30) ein Schrittmotor ist.
3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stator (28) mit der Rotornabe (1 10) und der Läufer (32) mit dem Rotorblatt (108) verbunden ist und der Elektromotor (30) ein Permanentmagnetmotor, insbesondere ein Hybridschrittmotor, ist.
4. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rotor- blatt (108) drehbar mit einem Wälzlager (22) an der Rotornabe (1 10) gelagert ist und das
Wälzlager (22) einen ersten Ring (24) und einen zweiten Ring (26) aufweist, zwischen denen Rollkörper angeordnet sind, wobei der Läufer (32) mit dem ersten Ring (24), insbesondere einem Außenring des Wälzlagers (22), verbunden ist oder der Läufer (32) in den ersten Ring (24) integriert ist und der Stator (28) mit dem zweiten Ring (26), insbe- sondere einem Innenring des Wälzlagers (22), verbunden ist oder der Stator (28) in den zweiten Ring (26) integriert ist.
5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, wobei der Stator (28) und der Läufer (32) in die entsprechenden umlaufenden Bereiche des ersten Rings (24) und des zweiten Rings (26) des Wälzlagers (22) seitlich zur Führung der Rollkörper integriert sind.
6. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (30) hochpolig ist und vorzugsweise eine Polpaarzahl von mindestens 48 oder mindestens 96, vorzugsweise mindestens 360, aufweist.
7. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (30) im Mikroschrittbetrieb betrieben wird und eine Schrittweite von weniger als 1 °, vorzugsweise weniger als 0,5°, zum Beispiel im Bereich von 0,1 °, aufweist.
8. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (28) und/oder der Läufer (32) einen Durchmesser von mindestens einem Meter, vorzugsweise mindestens zwei oder mindestens drei Meter, aufweist.
9. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elekt- romotor (30) im Bereich der Blattwurzel (20) des Rotorblatts (108) am Umfang der Blattwurzel (20) angeordnet ist.
10. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versteileinrichtung mindestens einen Sensor (42) umfasst, der am Rotorblatt (108) angeordnet ist und eingerichtet ist, den Luftdruck am Rotorblatt (108) zu messen und eine Steue- rung, die eingerichtet ist, den Elektromotor (30) in Abhängigkeit des mit dem Sensor (42) gemessenen Luftdrucks anzusteuern.
1 1. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versteileinrichtung mindestens zwei Sensoren (42) umfasst, wobei der erste Sensor (42a) im Bereich der Blattspitze (36) auf der Saugseite (38) und der zweite Sensor (42b) im Be- reich der Blattspitze (36) auf der Druckseite (40) angeordnet ist.
12. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (30) eingerichtet ist, das Rotorblatt (108) gegenüber der Rotornabe (1 10) innerhalb einer Umdrehung des Rotors (106) um mindestens 40 Grad oder mindestens 50 Grad, vorzugsweise bis zu 60 Grad, zu drehen.
13. Versteileinrichtung einer Windenergieanlage (100), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Elektromotor (30), insbesondere einen Schrittmotor, mit einem Läufer (32) und einem Stator (28), wobei der Läufer (32) eingerichtet ist, fest mit der Rotornabe (1 10) verbunden zu werden und der Stator (28) eingerichtet ist, fest mit dem Rotorblatt (108) verbunden zu werden oder der Läufer (32) einge- richtet ist, fest mit dem Rotorblatt (108) verbunden zu werden und der Stator (28) eingerichtet ist, fest mit der Rotornabe (1 10) verbunden zu werden.
14. Versteileinrichtung nach Anspruch 13, wobei die Versteileinrichtung ein Wälzlager (22) umfasst und der Elektromotor (30) in das Wälzlager (22) integriert ist.
15. Verfahren zum Verstellen eines Rotorblatts (108) einer Windenergieanlage (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer Versteileinrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
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