Technische Beschreibung

der "Active-Stall" Windenergieanlage AN BONUS lMW/54, polumschaltbar

AN Maschinenbau und Umweltschutzanlagen GmbH stellt Windenergieanlagen in Zusammenarbeit mit der dänischen Firma BONUS ENERGY A/S her, die weltweit über 2700 Windenergieanlagen produziert und aufgestellt haben.

BONUS ENERGY hat bereits 1989 eine serienreife Windenergieanlage mit einer Nennleistung von 450 kW entwickelt und hergestellt. Als Vorreiter in der MW-Klasse wurde von BONUS ENERGY bereits 1994 die erste 750 kW Anlage in Betrieb genommen.

All dieses Know-How floß nunmehr in die neue Generation, in die AN BONUS 1 MW/54 Windenergieanlage ein. Das Ergebnis ist eine Windenergieanlage mit einer hohen Sicherheit hinsichtlich Qualität, Zuverlässigkeit, und Langlebigkeit unserer Windenergieanlagen, auch in der Größenordnung von l MW.

Anlagenkonzept

AN BONUS Windenergieanlagen bauen in ihrer gesamten Konzeption auf Erfahrung, Qualität und Zuverlässigkeit, so werden die Komponenten wie z.B. Generatoren, Getriebe Rotorblätter und Kupplung von führenden Zulieferbetrieben hergestellt. Durch diese geringe Fertigungstiefe hat AN u.a. den Vorteil, flexibel reagieren zu können, und immer auf dem neuesten technischen Stand zu sein. Für den Kunden ist somit die Lieferung der Ersatzteile auch langfristig sichergestellt.

Die Konstruktion der AN BONUS 1 MW154 Windenergieanlage folgt dem klassischen dänischen Konzept. Damit kommen ausschließlich Dreiblattrotoren mit festem Blattanstellwinkel und konstanter Drehzahl zum Einsatz. Die Leistung wird durch den Strömungsabriß am Rotorblatt (engl.: stall) begrenzt. Die Anlagen arbeiten im Netzparallelbetrieb und sind mit einem ausfallsicheren Bremssystem mit hydraulischen und aerodynamischen Bremsen ausgerüstet. Die beiden Hauptlager sind auf der Grundplatte so montiert, daß die Krafteinleitung in den Turm gleichmäßig erfolgt. Dem Gewicht des Rotors auf der einen Seite, stehen das Gewicht des Getriebes sowie des Generators auf der anderen Seite gegenüber. Durch das in den folgenden Absätzen näher beschriebene technische Konzept überzeugt auch dieser Anlagentyp, wie alle unsere Windenergieanlagen, vor allem durch einen niedrigen Schalleistungspegel, eine optimale Leistungskennlinie, sehr gute Netzverträglichkeit und eine lange Lebensdauer.

Die Leistung der Anlage wurde vorerst auf 1 MW begrenzt, da die Kosten im Bereich installierter Leistung ab 1000 kW überproportional steigen, so daß die Wirtschaftlichkeit nach wie vor bei Anlagen bis 1000 kW eher gegeben ist. Außerdem wird sie in Gebieten

schwacher bis mittlerer Windstärke gut geeignet sein, was für die Bundesrepublik hauptsächlich zutrifft. Sie stellt die Basis für größere Anlagen dar, die sich aus diesen Typ entwickeln werden.

Rotor

Der Rotor der AN BONUS 1 MW/54 ist als Luvläufer mit drei verstellbaren Rotorblättern ausgelegt. Die Leistungsbegrenzung erfolgt durch eine aktive Stall-Regelung. Dieses Regelungsverfahren ist einfach, wirksam und zuverlässig. Die Rotorblätter können sich hierbei mittels einer einfachen Hydraulik zum Bremsen in "Fahnenstellung" drehen, zum Starten werden sie in den Wind gedreht, und erst ab Nennleistung wenn der Stömungsabriß voll zum Greifen kommt, werden sie je nach konstanter Windgeschwindigkeit leicht nachgeregelt, wobei die Leistungskurve dadurch nur noch ganz sanft abfällt und sich sehr gute Anschlußwerte für das öffentliche Netz ergeben.

Rotorblätter

Die Rotorblätter werden von LM Glasfiber A/S aus glasfaserverstärktem Polyester hergestellt. Das optimierte aerodynamische Profil entspricht dem neuesten Stand der Technik und der Blattaufbau basiert auf der langjährigen Erfahrung mit früheren Konstruktionen.

Die Blätter sind mit dem an AN BONUS Windenergieanlagen bewährtem Blattspitzenbremssystem ausgestattet, die als aerodynamische Notbremse fungiert, und wurden auf dem Prüfstand von LM unter statischen und dynamischen Lasten sorgfältig getestet.

Die Blattspitzenwellen bestehen aus Kohlefaser, während die übrigen lasttragenden Komponenten der Blattspitzenlager aus hochfesten rostfreiem Stahl hergestellt werden. Die Blattspitzen sind in Längsrichtung ausfahrbar und in Ihrer Profilsehne mittels einer Schrägverzahnung um 85 Grad drehbar. Sie wirken so als aerodynamische Bremse. Eingefahren und in Arbeitsstellung gehalten werden sie einzeln durch hydraulische Zylinder im Nabenbereich, die durch Stahlseile mit der Blattspitze verbunden sind. Zusätzlich sind die Rotorblätter mit einem nach heutigen Stand der Technik optimalen Blitzschutzsystem ausgerüstet. Die Blattspitzen sind mit Fangelektroden (Rezeptoren) ausgerüstet. Ein einschlagender Blitz wird so über diese Fangelektroden sicher ins Erdreich geführt. Der Hydraulikzylinder der Blattspitzenbremse wird durch ein Schutzkabel und die Hauptlager sowie das Windnachführungslager werden durch Schleifringe überbrückt.

Rotornabe

Die Rotornabe ist aus Kugelgraphitguß hergestellt. Sie ist an der Hauptwelle direkt angeflanscht. Zur einfacheren Wartung ist sie von innen durch entsprechend große Mannlöcher begehbar.

Hauptwelle und Lagerung

Die Hauptwelle ist aus einem Legierungsstahl geschmiedet. Sie ist innen hohl, damit die Leitungen der Hydraulikzylinder für die Blattspitzenbremse durchgeführt werden können. Das luvseitige Lager nimmt Stöße vom Rotor und die Reaktionskräfte aus der Schwerkraft und den Biegemomenten auf. Es ist ein selbsteinstellendes Pendelrollenlager, welches auf die Hauptwelle geschrumpft wird. Das Lagergehäuse ist direkt auf die Grundplatte der Gondel montiert. Das Lager ist fettgeschmiert und durch seine Labyrinthdichtungen wartungsarm. Leeseitig werden die Reaktionskräfte vom Getriebe aufgenommen. Es ist entsprechend ausgelegt und durch einen Spannsatz mit der Hauptwelle kraftschlüssig verbunden.

Getriebe

Das Getriebe ist ein in Serie hergestelltes 3-stufiges kombiniertes Planeten-Stirnradgetriebe. Die erste Stufe für das hohe Drehmoment ist als Planetenstufe ausgeführt. Dadurch ergibt sich eine kompakte Bauweise bei großer Leistungsfähigkeit. Die Zwischenstufe und die

Hochgeschwindigkeitssstufe sind aus schrägverzahnten Stirnrädern aufgebaut, die einen sehr geringen Geräuschpegel abgeben. Das Getriebe ist spritzgeschmiert und wird durch einen separaten Ölkühler gekühlt. Das Getriebe ist mit Gummielementen auf der Gondel montiert. Dies minimiert die Übertragung vom Körperschall. Im Ölsumpf und am Lager der schnellen Welle sind jeweils Temperatursensoren angebracht, welche die Anlage im Falle unzureichender Schmierung stoppen.

Festellbremse

Die Feststellbremse ist eine einfache Scheibenbremse. Sie ist auf der schnellen Welle zwischen Getriebe und Generator montiert und arbeitet mit Federkraft. Zum Lösen wird sie hydraulisch aktiviert. Bei einer normalen Betriebsbremsung verbleibt auf der Hydraulik ein Restdruck, der eine sanfte Bremsung bewirkt. Die gesamte Windenergieanlage wird dadurch geschont. Nur in Notfallen wird die gesamte Federkraft aufgebracht. Die Bremsanlage ist so ausgelegt, daß der Rotor auch bei Ausfall der aerodynamischen Blauspitzenbremse sicher gestoppt werden kann.

Kupplung

Die Kupplung zwischen Getriebe und Generator ist eine Universalkupplung. Sie besitzt gute dämpfende und stoßabsorbierende Eigenschaften und kann kleinere Fehlausrichtungen tolerieren. Generator

Der Generator ist eine polumschaltbare (4/6) Asynchronmaschine, die vollständig gekapselt ist und durch einen Ventilator extem gekühlt wird. Der Ventilator ist thermostatisch geregelt. Bei geringer Leistung wird der Generator mit begrenzter Fremdkühlung betrieben, wobei der Stromgebrauch und die Teillastverluste gering gehalten und unnötige Geräusche

vemieden werden. Der Generator ist speziell für hohe Wirkungsgrade im Teillastbereich ausgelegt und wird an verschiedenen Stellen temperaturüberwacht.

Windnachführung

Die Gondel wird mit vier elektrischen Stellmotoren aktiv dem Wind nachgeführt. Gebremst wird sie über die voreingestellte Reibung der Gleitklötze. Sie können bei Bedarf einfach nachgestellt werden und die gesamte Hydraulik, wie sie bisher nötig war, entfällt. Für Wartungsarbeiten kann die Windnachführung arretiert werden.

Steuerung

Die Windenergieanlagensteuerung ist ein industrielles Mikroprozessorsystem, welches auch bei anderen AN BONUS Windenergieanlagen verwendet wird. Die Steuerung wird komplett mit Schaltanlage, Schutzeinrichtungen usw. geliefert. Die Steuerung ist sehr betriebssicher und verfügt über ein Bedienfeld, welches ein leichtes Auslesen des Anlagenstatuses erlaubt. Die Steuerung ist im Turmfuß untergebracht. Der Einsatz eines Fernüberwachungssystems auf PC-Basis steht als Option zur Verfügung.

Turm

Die AN BONUS 1 MW/54 Windenergieanlage kann mit einen konischen Stahlrohrturm in verschiedenen Höhen geliefert werden. Sie sind durch eine wirksame Mehrschichtversiegelung vor Korrosion geschützt. Die Türme werden von innen bestiegen und haben direkten Zugang zur Windnachführung und zur Gondel. Der Turm ist mit elektrischem Licht und Sicherheitseinrichtungen ausgestattet.

Betriebsführung und Sicherheitssystem

Die AN BONUS 1 MW/54 Windenergieanlage arbeitet vollautomatisch im Netzparallelbetrieb und überwacht gleichzeitig den Anklagezustand und die Netzdaten. Grundfunktionen wie zum Beispiel Windnachführung, Start und Stop können auch manuell vor Ort bzw. extern per Fernüberwachung auf PC-Basis gesteuert werden. Die Windenergieanlage läuft bei zunehmenden Windgeschwindigkeiten ab etwa 3 mls automatisch an. Diese Windgeschwindigkeit ist ausreichend, um den Rotor auf die Synchrongeschwindigkeit des kleinen Generators zu beschleunigen. Die Windenergieanlage wird mittels Thyristoren weich auf das Netz aufgeschaltet, und kurz danach durch ein Schütz mit dem Netz verbunden.

Bei einem Start bestimmt die gemessene Windgeschindigkeit, ob der "große" oder "kleine" Generator mit dem Netz verbunden wird. Ist einer der beiden Generatoren am Netz, so wird nach der gemessenen Leistung festgelegt, ob ein Umschaltvorgang eingeleitet wird. Die Betriebsparameter sind so gewählt, daß eine optimale Ausnutzung der vorherrschenden Windbedingungen erreicht wird, aber bei stark

wechselnden Windgeschwindigkeiten eine unnötig häufige Umschaltung zwischen den Generatorstufen vermieden wird. Die Generatorschaltung wird in beiden Richtungen stets sehr weich mit Hilfe der Thyristoren ausgeführt, die nach dem Umschaltvorgang durch ein Schütz überbrückt werden. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit nimmt die Leistung bis zur Nennwindgeschwindigkeit von 14-15 m/s/s in etwa linear zu. Ab dieser Windgeschwindigkeit wird die Leistung durch Strömungsabriß an den Rotorblättern begrenzt. Bei weiter zunehmender Windgeschwindigkeit wird die Leistung minimal reduziert. Die aktive Stallregelung bewirkt eine gleichmäßige Leistungsabgabe und belastet die Windenergieanlage sowie auch das Stromnetz mit nur geringen Lastspitzen.

Bei Überschreiten der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von über 25 m/s und bei Auftreten von Fehlern wird die Windenergieanlage automatisch durch Verstellen der Rotorblätter und Eingriff der Bremse abgeschaltet. Die Rotorblätter bilden dabei die eigentliche Betriebsbremse und sorgen für ein sanftes Abbremsen.

Sinkt die Windgeschwindigkeit wieder auf einen Wert unterhalb 18 m/s im 10-MinutenMittel, erfolgt ein Zurückstellen der Rotorblätter in Betriebsstellung und die Anlage startet neu. Die Blattspitzen werden im Notfall automatisch in die ausgefahrene Position bei nachlassendem Hydraulikdruck ausgefahren, um so ein sicheres Abbremsen der Anlage zu ermöglichen. Das System ist ausfallsicher bei mehreren Redundanzgraden. Dazu gehören die Überwachung der Rotordrehzahl, ein Fliehkraftschalter im Hydrauliksystem der Rotornabe sowie ein Fliehkraftschalter auf der Welle zwischen Getriebe und Generator. Die Fliehkraftschalter arbeiten völlig unabhängig von den übrigen Sicherheitssystemen der Windenergieanlage und werden bei Überdrehzahl aktiviert. Außerdem ist im Maschinenhaus ein Vibrationsschalter installiert, der die Anlage bei außergewöhnlichen Schwingungen sofort stoppt.

Die Steuerung ermöglicht den Test der verschiedenen Sicherheitssysteme. So kann zum Beispiel eine Überdrehzahlsituation ausgelöst werden, um die Drehzahlsensoren zu überprüfen. Anschließend können die Sensoren außer Betrieb gesetzt werden, um z.B. die Fliehkraftschalter zu überprüfen. Bei allen Tests speichert die Steuerung die maximale Umdrehungszahl und die dazugehörige Windgeschwindigkeit ab. Änderungen vorbehalten.