-
Hintergrund
der Erfindung
-
Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Windturbinen oder Windräder und
spezieller auf die Erkennung von Eis auf den Rotorblättern der
Windturbinen.
-
In
der letzten Zeit ist den Windturbinen als einer im Hinblick auf
die Umwelt sicheren und relativ kostengünstigen alternativen Energiequelle
eine erhöhte
Aufmerksamkeit zuteil geworden. Mit diesem wachsenden Interesse
sind erhebliche Anstrengungen unternommen worden, um Windturbinen
zu entwickeln, die zuverlässig
und effizient sind.
-
Allgemein
enthält
eine Windturbine einen Rotor, der mehrere Blätter aufweist. Der Rotor ist
innerhalb eines Gehäuses
oder einer Gondel angebracht, die oben an der Spitze einer Stütze oder
eines rohrförmigen
Turmes angeordnet ist. Energieversorgungs-Windturbinen (d.h. Windturbinen,
die zur Einspeisung von elektrischer Energie in ein Elektrizitätsversorgungsnetz
vorgesehen sind) können
große Rotoren
aufweisen (z.B. 30 oder mehr Meter im Durchmesser). Die Blätter an
diesen Rotoren wandeln Windenergie in ein Drehmoment oder eine rotatorische
Kraft um, die einen oder mehrere Generatoren antreibt, die über ein
Getriebe mit dem Rotor drehbar gekoppelt sind. Das Getriebe übersetzt
die naturgemäß niedrige
Drehzahl des Turbinenrotors für den
Generator herauf, um die mechanische Energie effizient in elektrische
Energie umzuwandeln, die in ein Elektrizitätsversorgungsnetz eingespeist
wird.
-
Unter
bestimmten Atmosphärenbedingungen
werden die Rotorblätter
von Eis bedeckt. Eisbildung tritt typischerweise an der vorderen
Kante des Flügels
auf und verursacht eine verringerte Auftriebsfähigkeit. Wenn die Eisschicht
dicker wird, wird dem Flügel
Gewicht hinzugefügt,
so dass die Auftrieb erzeugende Flügeloberfläche verändert wird. Bei Windturbinen
kann diese Veränderung
zu einer verringerten aerodynamischen Leistungsfähigkeit des Rotorblattes führen. Diese
verringerte Leistungsfähigkeit kann
direkt zu einer erhöhten
Systembeanspruchung und/oder Einbußen bei der Energieabgabe führen.
-
Kurze Beschreibung
der Erfindung
-
Einige
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung schaffen daher ein Verfahren zur Erkennung von
Eis auf einer Windturbine, die einen Rotor und ein oder mehrere
Rotorblätter
enthält,
die jeweils Blattwurzeln aufweisen. Das Verfahren enthält das Überwachen
von meteorologischen Bedingungen, die mit Vereisungszuständen in
Verbindung stehen, und das Überwachen
einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der
Windturbine im Betrieb, die im Zusammenhang mit der Masse des einen
oder der mehreren Rotorblätter
und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern variieren.
Das Verfahren enthält
auch die Verwendung der einen oder mehreren überwachten physikalischen,
charakteristischen Größen zur
Bestimmung, ob eine Blattmassenanomalie besteht, die Feststellung,
ob die überwachten
meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar
sind, und das Anzeigen oder Signalisieren einer eisbedingten Blattmassenanomalie,
wenn das Vorliegen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden
ist und die überwachten
meteorologischen Bedingungen bestimmt worden sind und mit einer
Vereisung vereinbar erscheinen.
-
In
einer anderen Hinsicht schaffen einige Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zur Erkennung von Eis auf einer Windturbine,
die einen Rotor und ein oder mehrere Rotorblätter enthält, die jeweils Blattwurzeln
aufweisen. Das Verfahren enthält
das Überwachen
von meteorologischen Zustandsgrößen im Zusammenhang
mit Vereisungsbedingungen und das Überwachen einer oder mehrerer
physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine im Betrieb,
die im Zusammenhang mit der Masse des einen oder der mehreren Rotorblätter und/oder
eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern variieren.
In dieser Ausführungsform
enthalten die physikalischen, charakteristischen Größen wenigstens
Biegemomente an den Blattwurzeln. Das Verfahren enthält weiterhin
die Verwendung der einen oder mehreren überwachten physikalischen,
charakteristischen Größen zur
Bestimmung, ob eine Blattmassenanomalie besteht, die Feststellung,
ob die überwachten
meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar
sind, und das Anzeigen einer eisbedingten Blattmassenanomalie, wenn
das Bestehen einer Blattmassenanomalie erkannt worden ist und die überwachten
meteorologischen Bedingungen bestimmt worden sind und mit einer
Vereisung vereinbar erscheinen.
-
In
noch einer weiteren Ausführungsform schaffen
einige Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung eine Windturbine, die einen ein oder mehrere
Rotorblätter
enthaltenden Rotor, einen oder mehrere zum Überwachen von meteorologischen Bedingungen
im Zusammenhang mit Vereisung eingerichtete meteorologische Sensoren
und einen oder mehrere Sensoren für physikalische, charakteristische
Größen aufweist,
um eine oder mehrere physikalische, charakteristische Größen der
Windturbine im Betrieb zu überwachen,
die im Zusammenhang mit einer Masse des einen oder der mehreren
Rotorblätter
und/oder einem Massenungleichgewicht zwischen den Rotorblättern variieren.
Die Windturbine enthält
weiterhin einen Prozessor, der mit dem einen oder den mehreren meteorologischen
Sensoren und dem einen oder den mehreren Sensoren für physikalische,
charakteristische Größen betrieblich
gekoppelt ist. Der Prozessor ist dazu eingerichtet, festzustellen,
ob die überwachten
meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar
sind, die eine oder die mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen
Größen zu benutzen,
um zu bestimmen, ob eine Blattmassenanomalie besteht, und ein Signal
zu erzeugen, das eine eisbedingte Blattmassenanomalie anzeigt, wenn
das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und
die überwachten
meteorologischen Bedingungen bestimmt worden sind und mit einer
Vereisung vereinbar erscheinen.
-
In
noch einer weiteren Ausführungsform schaffen
einige Ausführungen
der vorliegenden Erfindung eine Windturbine, die einen ein oder
mehrere Rotorblätter
aufweisenden Rotor, ein oder mehrere zum Überwachen von meteorologischen
Bedingungen im Zusammenhang mit Vereisung eingerichtete meteorologische
Sensoren und einen oder mehrere Sensoren für physikalische, charakteristische
Größen enthält, die
zum Überwachen
einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine
im Betrieb eingerichtet sind, die im Zusammenhang mit einer Masse
des einen oder der mehreren Rotorblätter und/oder einem Massenungleichgewichtes
zwischen den Rotorblätter
variieren. In dieser Ausführungsform
enthalten die Sensoren für
die physikalischen, charakteristi schen Größen wenigstens einen Sensor,
der die Biegemomente an den Blattwurzeln überwacht. Die Windturbine enthält weiterhin
einen Prozessor, der mit dem einen oder den mehreren meteorologischen
Sensoren und dem einen oder den mehreren Sensoren für die physikalischen,
charakteristischen Größen betrieblich
gekoppelt ist. Der Prozessor ist dazu eingerichtet, festzustellen,
ob die überwachten
meteorologischen Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar
sind, die eine oder die mehreren überwachten physikalischen, charakteristischen
Größen zu verwenden,
um zu bestimmen, ob eine Blattmassenanomalie besteht, und ein Signal
zu erzeugen, das eine vereisungsbedingte Blattmassenanomalie anzeigt,
wenn das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden
ist und die überwachte
meteorologischen Zustandsgrößen bestimmt
worden sind und diese mit einer Vereisung vereinbar erscheinen.
-
In
noch weiteren Ausführungsformen
wird eine Windturbine geschaffen, die einen wenigstens ein Blatt
aufweisenden Rotor, eine Gondel und ein Windnachführsteuerungssystem
(Yaw Control System) enthält.
Die Windturbine ist dazu eingerichtet, die Gondel nachzuführen oder
zu gieren und ein Blattmassenungleichgewicht anzuzeigen, wenn eine variable,
gyroskopische Belastung festgestellt wird, während die Gondel nachgeführt oder
gegiert wird.
-
In
noch weiteren Ausführungsformen
wird ein Verfahren zum Erkennen eines Blattmassenungleichgewichtes
geschaffen. Das Verfahren enthält das
Nachführen
oder gieren einer Gondel einer Windturbine und das Anzeigen eines
Blattmassenungleichgewichtes, wenn eine variable, gyroskopische Belastung
festgestellt wird, während
die Gondel gegiert wird.
-
In
noch anderen Ausführungsformen
wird eine Windturbine geschaffen, die einen Rotor enthält, der
wenigstens ein Blatt, ein Verstell- oder Pitch-System, eine Turbinensteuerung
und meteorologische Instrumente aufweist, die zum Messen der Windgeschwindigkeit
eingerichtet sind. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, eine Blattmassenanomalie
anzuzeigen, wenn die Blätter
außerhalb
eines vorbestimmten Nennbereichs für eine gemessene Windgeschwindigkeit
angestellt sind.
-
In
noch weiteren Ausführungsformen
wird ein Verfahren zum Erkennen einer Blattmassenanomalie auf einer
Windturbine geschaffen. Die Windturbine enthält wenigstens ein Blatt, ein
Verstell- oder Pitch-System sowie meteorologische Instrumente, die
zum Messen der Windgeschwindigkeit eingerichtet sind. Das Verfahren
beinhaltet das Messen einer Windgeschwindigkeit unter Verwendung
der meteorologischen Instrumente, das Vergleichen einer Anstellung
der Blätter
mit einem vorherbestimmten Nennbereich für die gemessene Windgeschwindigkeit
und das Signalisieren einer Blattmassenanomalie, wenn die Blätter außerhalb
des vorbestimmten Nennbereiches für die gemessene Windgeschwindigkeit
angestellt sind.
-
Es
wird daher erkannt, dass die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung die Erkennung und die Anzeige von vereisungsbedingten Blattmassenanomalien
ermöglichen,
die die Leistungsfähigkeit
von Windturbinenkraftwerken verringern können, wobei das Ergreifen von
Korrekturmaßnahmen
ermöglicht
wird, falls es erforderlich ist.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Zeichnung einer beispielhaften Ausführung einer Windturbine.
-
2 ist
eine teilweise im Schnitt dargestellte, perspektivische Zeichnung
eines Rotorblattes und einer Nabe einer Windturbine, die verschiedene
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darstellen.
-
3 ist
eine teilweise im Schnitt dargestellte, perspektivische Zeichnung
der Nabe und der Gondel der in 1 gezeigten
Windturbine.
-
4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Hauptrotorwelle
und eines Sensors, die in einigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung
verwendet werden.
-
5 ist
eine Endansicht einer Hauptwelle, die vier Sensoren aufweist, gemäß einer
ersten Ausführungsform.
-
6 ist
eine perspektivische Ansicht einer Hauptquelle, die vier Sensoren
aufweist, gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
-
7 ist
eine perspektivische Ansicht einer Hauptwelle, die vier Sensoren
aufweist, gemäß einer dritten
Ausführungsform.
-
8 ist
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
einer Turbinensteuerung.
-
9 zeigt ein Flussdiagramm, das einige Ausführungs formen
eines Verfahrens zum Erkennen eines Blattmassenungleichgewichts
und/oder einer Blattmassenänderung
darstellt.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Der
Ausdruck, dass ein physikalischer oder meteorologischer Parameter „überwacht" wird, wird hierin
verwendet, wenn ein Sensor benutzt wird, um seinen augenblicklichen
Wert zu bestimmen. Der allgemeinere Ausdruck „überwacht" wird anstelle des engeren Begriffes „gemessen" verwendet, um hervorzuheben,
dass der Sensor eine direkte Messung des überwachten Wertes durchführen kann,
aber nicht notwendigerweise durchführen muss. Zum Beispiel kann
ein Anemometer, das als ein meteorologischer Sensor verwendet wird,
ein analoges Signal im Zusammenhang mit der augenblicklichen Windgeschwindigkeit
erzeugen, aber das analoge Signal ist kein tatsächlicher Messwert der Windgeschwindigkeit.
Nichtsdestoweniger kann dieses Signal oder eine digitale Wiedergabe
dieses Signals zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit verwendet werden, oder
es kann eine Auslegungsentscheidung vorgenommen werden, um das Signal,
seine digitale Wiedergabe oder ihre Darstellung bei der weiteren
Verarbeitung als einen Stellvertreter für die Windgeschwindigkeit zu
verwenden.
-
Der
hierin ebenfalls verwendete Ausdruck „meteorologischer Sensor" bezieht sich auf
einen Sensor für
eine meteorologische Zustandsgröße. Eine
nicht erschöpfende
Liste von meteorologischen Zustandsgrößen enthält z.B. den Luftdruck, die Windgeschwindigkeit
und -richtung, die Luftfeuchtigkeit, die Temperatur und den Niederschlag
sowie die Niederschlags art. Alle Beispiele für die meteorologischen Zustandsgrößen sind
meteorologische Zustandsgrößen im Zusammenhang
mit Vereisung. Eine nicht erschöpfende
Liste von einigen der am häufigsten
verwendeten meteorologischen Sensoren, die die meteorologischen
Bedingungen oder Zustandsgrößen im Zusammenhang
mit Vereisung überwachen,
enthält
Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren.
-
Wenn
hierin weiterhin der Ausdruck „Sensor für physikalische,
charakteristische Größen, der
zum Überwachen
einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der
Windturbine im Betrieb eingerichtet ist, die im Zusammenhang mit
einer Masse eines oder mehrerer Rotorblätter und/oder eines Massenungleichgewichtes
zwischen den Rotorblättern
variieren" verwendet
wird, bezieht er sich auf einen Sensor, der ein Signal erzeugt,
das sich in Übereinstimmung
mit der festgestellten Massenänderung
und/oder des Massenungleichgewichtes verändert. Eine nicht erschöpfende Liste
solcher physikalischer, charakteristischer Größen beinhaltet Blattwurzelbiegemomente,
axiale oder Biegeauslenkungen einer Wellen-, Naben- oder Flanschoberfläche, die
Rotationsgeschwindigkeit oder Azimutalposition eines Blattes, einen
Blattauftrieb, Ausgangsleistungsschwankungen, die aerodynamische
Effizienz und Systembeanspruchungen.
-
Zusätzlich bezieht
sich der Ausdruck „Blattwurzel" oder „Blattwurzelabschnitt", wenn er hierin verwendet
wird, auf den inneren Abschnitt eines Rotorblattes.
-
Wie
hierin weiterhin erläutert
wird, überwachen
verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung meteorologische Bedingungen oder Zustandsgrößen im Zusammenhang
mit Vereisungszuständen
und eine oder mehrere physika lische, charakteristische Größen einer
Windturbine im Betrieb, die sich im Zusammenhang mit einer Masse eines
oder mehrerer Rotorblätter
und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern verändern. Die
einen oder die mehreren überwachten
physikalischen, charakteristischen Größen werden verwendet, um festzustellen,
ob eine Blattmassenanomalie besteht, und die überwachten meteorologischen
Zustandsgrößen werden
verwendet, um festzustellen, ob die meteorologischen Bedingungen
mit einer Blattvereisung vereinbar sind. Eine eisbedingte Blattmassenanomalie
wird angezeigt, wenn das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden
ist, und die überwachten
meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen
werden.
-
Spezieller
enthält
eine Windturbine 100 in einigen Ausführungsformen und mit Bezug
auf 1 eine Gondel 102, die einen Generator
(nicht gezeigt in 1) beherbergt. Die Gondel 102 ist
oben an der Spitze eines hohen, schlanken Turmes 104 angebracht,
von dem nur ein Teilabschnitt in 1 gezeigt ist.
Die Windturbine 100 enthält auch einen Rotor 106,
der ein oder mehrere, an einer rotierenden Nabe 110 befestigte
Rotorblätter 108 aufweist.
Obwohl die in 1 dargestellte Windturbine 100 drei
Rotorblätter 108 enthält, bestehen
keine speziellen Beschränkungen
hinsichtlich der Anzahl der Rotorblätter 108, die von
der vorliegenden Erfindung benötigt
werden. Unter manchen atmosphärischen
Bedingungen kann es zu einer Blattvereisung kommen, und Eis 112 kann
sich auf den Blättern 108 bilden.
-
Die
Bedingungen, unter denen sich dieses Eis bildet, können dazu
führen,
dass sich das Eis 112 z.B. in auf allen Blättern 108 identischen
Schichten bildet, aber es gibt keine Garantie dafür, dass
die Vereisung notwendigerweise auf jedem Blatt gleichförmig oder
von Blatt zu Blatt identisch verläuft. Daher kann die Blattvereisung 112 das
Auftreten von entweder einem Massenungleichgewicht oder einer Massenänderung
(oder beidem) an dem Rotor 106 hervorrufen. Ein Blattmassenungleichgewicht
kann als Ergebnis davon auftreten, dass ein oder mehrere Blätter 108 mehr
Eis 112 als andere Blätter 108 ansammeln.
Eine Blattmassenänderung
als Ergebnis davon auftreten, dass alle Blätter 108 eine gleichwertige
Last durch die Eismasse auf den Blättern ansammeln. Blattmassenungleichgewichte
und Blattmassenänderungen
werden hierin generisch als „Blattmassenanomalien" bezeichnet. Einige
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erkennen das Vorhandensein eisbedingter
Blattmassenanomalien durch eine Überwachung
der Systembelastungen und/oder Einbußen bei der Leistungsabgabe,
die beide auf eine im Zusammenhang mit der Blattvereisung verringerte
aerodynamische Leistungsfähigkeit
zurück
zu führen
sind.
-
In
einigen Ausführungsformen
und in Bezug auf 2 wird ein Blattmassenungleichgewicht
in dem Rotor 106 unter Verwendung von überwachten Biegemomenten der
Blattwurzel 114 unter Bedingungen mit einem Windnachführfehler
oder Yaw Error nahe Null entdeckt. Die Biegemomente der Blattwurzel 114 können unter
Anwendung einer Vielzahl von Vorgehensweisen und Sensoren in vielfältigen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung überwacht werden,
und einige Ausführungen
verwenden eine Kombination der Vorgehensweisen und/oder Sensoren.
Zum Beispiel sind in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere
Dehnungsmessstreifen 116 (wie z.B. von Aerpac B.V., Oberijssel,
Niederlande erhältliche
Feststoffsensoren) in ein Rotorblatt 108 eingebettet und/oder
mit diesem verbunden. Die Dehnungsmessstreifen 116 erzeugen
ein Signal oder Signale, die an einen Computer oder Prozessor (nicht gezeigt
in 2) gesendet werden, der aus diesen Signalen die
Biegemomente der Blattwurzel 114 bestimmt. In einigen Ausführungsformen
ist der Computer oder Prozessor eine Turbinensteuerung, die auch
zusätzliche
Funktionen für
die Windturbine 100 bereitstellt.
-
In
einigen Ausführungsformen
und mit Bezug auf die 3, 4 und 5 enthalten
weitere Vorgehensweisen und Sensoren zum Messen der Biegemomente
an der Blattwurzel 114 das Messen von Biegungs- und/oder
Spannungsniveaus der Rotornabe 110 entweder an der Hauptwelle 118 oder
an einem Wellenflansch 145 an oder nahe bei seiner Verbindung
zu der Nabe 110. Wenn eine Nabenbiegung gemessen wird,
wird im Falle eines Blattmassenungleichgewichtes ein rotatorischer
Verlauf oder eine Bahn beobachtet. In einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden drei oder mehr Sensoren verwendet,
um axiale und/oder radiale und/oder Biegeauslenkungen der Flanschoberfläche oder
Biegungen der Welle 118 zu erkennen und Signale zu erzeugen,
die zur Auswertung an den Computer oder Signalprozessor gesendet
werden. Abweichungen von den erwarteten Spannungswerten (oder einem
beliebigen anderen überwachten
Parameter), die für
eine Blattmassenanomalie kennzeichnend sind (, die entweder ein
Blattmassenungleichgewicht oder eine Blattmassenänderung sein kann, ) werden
festgestellt.
-
Zum
Beispiel und in Bezug auf 5 überwachen
einige Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die radiale Auslenkung der Hauptwelle 118 unter
Verwendung von wenigstens zwei orthogonal angeordneten Näherungssensoren 120.
Diese radiale Auslenkung wird verwendet, um festzustellen, ob eine
für ein
Blattmassenungleichgewicht kennzeichnende Abweichung vorliegt. Zum
Beispiel können
die Sensoren oder Sonden 120, die die Auslenkung der Welle 118 messen,
eine oder mehrere Technologien, wie z.B. akustische, optische, magnetische,
Wirbelstrom-, kapazitive, induktive oder andere Technologien anwenden.
Obwohl aus Gründen
der Redundanz, zu Zwecken der Sensordiagnose oder aus anderen Gründen wenigstens
zwei Sensoren zum Überwachen
der radialen Auslenkung verwendet werden, werden in einigen Ausführungsbeispielen
mehr als zwei Sensoren verwendet. Zum Beispiel stellt 6 eine
Anordnung mit vier Sensoren 120 dar, die um den Umfang
der Hauptrotorwelle 118 in einem Abstand von 90° angeordnet
sind. In einer anderen Anordnung und im Bezug auf 7 sind
vier Sensoren 120 in Paaren im Abstand von 90° voneinander
um die Hauptwelle 118 herum angeordnet. In einigen Ausführungsformen
und im Bezug auf 3 sind die Sensoren 120 (nicht
gezeigt in 3) so weit wie möglich von
dem Getriebe 122 entfernt angeordnet. In anderen Ausführungsformen
sind die Sensoren 120 etwa in der Mitte zwischen dem Getriebe 122 und
dem Hauptlager 124 angeordnet.
-
In
einigen Ausführungsformen
und im Bezug auf 4 wird in einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die axiale Auslenkung überwacht.
Die Sensoren 143, wie z.B. Näherungssensoren, werden verwendet,
um die Auslenkung des Wellenflansches 145 zu überwachen.
In einigen Ausführungsformen
ist jeder Sensor 143 auf einer Sensorklammer 147 angebracht,
die an dem Hauptlager 124 oder einer Grundplatte (nicht
gezeigt) befestigt ist. Signale von den Sensoren 143 zeigen
die überwachten Auslenkungen
oder Momente an. In einigen Ausführungsformen
werden wenigstens drei Sensoren 143 verwendet, um die Auslenkungen
des Hauptwellenflansches 145 der Windturbine 100 zu
messen, die auf asymmetrische Belastungen, wie z.B. ein Blattmassenungleichgewicht
infolge von Vereisung zurückzuführen sind.
Die Sensoren 143 können
Näherungssensoren
sein, die die Auslenkung des Hauptwellenflansches 145 relativ
zu einem sich nicht biegenden oder deformierenden Bezugssystem,
z.B. dem Hauptlager 124, messen. Einige Ausführungsformen
verwenden vier Sensoren mit Abständen
von etwa 90, um die Auslenkungen des Wellenflansches 145 zu
messen.
-
In
einigen Ausführungsformen
und wieder mit Bezug auf 2 wird wenigstens eine eingebettete
Lichtleitfaser 126, die ein oder mehrere Bragg-Gitter 128 aufweist,
verwendet, um die Spannung in jeder Rotorblattwurzel 114 zu überwachen, um
festzustellen, ob eine für
ein Blattmassenungleichgewicht kennzeichnende Spannungsabweichung
vorliegt. Ein oder mehrere Laser (nicht gezeigt in den Figuren),
die in der Nabe 110 angeordnet sein können, werden zur Einspeisung
von Licht in die Lichtleitfasern 126 verwendet. Eine elektronische Schnittstelle
(ebenfalls nicht gezeigt in den Figuren) wird in einigen Ausführungsformen
zur Umwandlung von Signalen, die aus der Überwachung der Rotorblattwurzelspannung
resultieren, in digitale Signale verwendet, die von einem Computer
oder Prozessor erkannt und verwendet werden können. Wieder mit Bezug auf 3:
In einigen Ausführungsformen
befestigt eine Vielzahl von eingesetzten T-Bolzen die Rotorblätter 108 an
der Nabe 110. Diese T-Bolzen sind mit Dehnungsmessstreifen
ausgerüstet,
die zum Liefern von Spannungsinformationen an den Computer oder
Signalprozessor verwendet werden. Zum Beispiel sind die eingesetzten
T-Bolzen bei einigen Ausführungsformen
in dem Rotorblatt installiert und sind dementsprechend, wie durch
einen repräsentativen
Befestigungspunkt 132 in 3 schematisch gezeigt,
an den Anstell- oder Pitch-Lagern befestigt. In einigen Ausführungsformen
ist auch ein Dehnungsmessstreifen 134 direkt an das Rotornabengehäuse 110 geschweißt. Einige
Ausführungsformen überwachen
die Bewegung des Getriebes 122 in einer vertikalen und
horizontalen Ebene unter Verwendung eines Zahnkranz-Näherungssensors 136 mit
in den vier Quadranten (z.B. bei 45°, 135°, 225° und 315°) angeordneten Näherungssensoren 136,
von denen nur einer gezeigt ist. Die Bewegung des Getriebes 122 wird
in einen Vektor umgewandelt, um festzustellen, ob ein Rotorblattmassenungleichgewicht
besteht. (Wenn hierin die Ausdrücke „Sensor" und „Sonde" verwendet werden,
sind sie synonym.)
-
In
verschiedenen Ausführungsformen
werden die Azimutalposition und die Drehzahl des Blattes unter Verwendung
von Näherungssensoren und/oder
Wellendrehgebern überwacht.
Ein auf die Hauptwelle 118 gerichteter Näherungssensor 137 liefert
einen digitalen Impuls, wenn sich eine Markierung, die einer speziellen
Azimutalposition des Rotorblattes entspricht, unterhalb des Sensors
bewegt. Als eine Alternative kann ein Drehgeber 139 verwendet werden,
der über
eine Kupplung (nicht gezeigt) an der langsam drehenden Welle 141 befestigt
ist. Die Verwendung beider Alternativen und/oder zusätzlicher
Sensoren oder Drehgeber in einer einzigen Ausführungsform ist möglich und
kann benutzt werden, um für
eine erhöhte
Zuverlässigkeit
Redundanz zu schaffen. Die Signale von dem/den Sensor(en) 137 und/oder
dem/den Drehgeber(n) 139 werden an den Computer oder Signalprozessor
gesendet und zum Bestimmen der Azimutalposition und der Drehzahl des
Blattes verwendet.
-
Die
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung verwenden eine oder mehrere der oben beschriebenen
Sensorkonfigurationen, und der Computer oder Signalprozessor wird
verwendet, um aus den überwachten
Parametern Änderungen
des Rotationsvektors der Nabe 110 entweder dem Betrag oder der
Richtung nach (oder beidem) und/oder Spannungsdifferenzen in den
Rotorblattwurzeln 114 festzustellen. Diese Vektoränderungen
und/oder Spannungsdiffenrenzen sind Abweichungen, die, wenn sie festgestellt
werden, für
Blattmassenungleichgewichte kennzeichnend sind. Die bekannten physikalischen
Gesetze von Masse, Bewegung und Moment können von dem Computer oder
Signalprozessor angewandt werden, um vor solchen Ungleichgewichten zu
warnen. Einige Abweichungen (z.B. Umlaufbewegungen) erfordern auch
die Kenntnis der Positionen der einzelnen Blätter. Diese Positionen können unter Verwendung
der Signale bestimmt werden, die von den Näherungssensoren und/oder Wellendrehgebern
geliefert werden.
-
In
einigen Ausführungsformen
werden auch die Luftbedingungen (z.B. Temperaturschwankungen, Druckschwankungen,
Feuchtigkeit) unter Verwendung eines oder mehrerer meteorologischer Standardsensoren überwacht,
um festzustellen, ob die meteorologischen Bedingungen zur Bildung
von Eis führen.
Der (oder die) meteorologische(n) Sensor(en) 140 kann nahe
bei den Blättern 108 der Windturbine 100,
z.B. auf dem Turm 104 oder der Gondel 102 (wie
in 3 gezeigt) angeordnet sein, um die Bedingungen
in der Höhe
der Rotorblätter 108 genauer
wiedergeben zu können.
Um falsche Vereisungsalarme zu vermeiden, ist in einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die Eiserkennungslogik und/oder die Eiswarnungslogik
deaktiviert, wenn die überwachten
meteorologischen Parametersignale von den meteorologischen Sensoren 140 anzeigen,
dass eine Vereisung unwahrscheinlich ist (Z.B. ist die Luftfeuchtigkeit
zu niedrig oder die Temperatur zu hoch.). Das Blattmassenungleichgewicht
kann jedoch auf andere unbekannte Zustände zurückzuführen sein. Folglich ist es
bei den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mög lich, aber
nicht erforderlich, einen nicht vereisungsbedingten Anomaliealarm
auszugeben, wenn die meteorologischen Sensoren 140 anzeigen,
dass eine Vereisung unwahrscheinlich ist, aber eine Blattmassenanomalie
angezeigt wird.
-
Ein
Blattungleichgewicht kann auch von der Windnachführung (Yaw) hervorgerufen werden.
Um falsche Vereisungszustandsalarme in Folge von Blattungleichgewichten
aufgrund der Nachführung
zu vermeiden, überwachen
daher einige Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Nachführfehlerzustände unter
Verwendung beliebiger bekannter Verfahren, um dies auszuführen. In
diesen Ausführungsformen
wird der Computer oder Signalprozessor daran gehindert, eine Vereisungswarnung
wegen eines Blattungleichgewichtes auszugeben, außer wenn
Zustände
mit einem Nachführfehler
nahe Null festgestellt werden. Eine Nachführung „nahe Null" liegt vor, wenn der Rotor 106 in
den Wind hinein gerichtet ist, so dass die Blattwurzelspannungen
und andere auf die Nachführung
zurückzuführende Ungleichgewichte
im Vergleich zu denjenigen Spannungen und Ungleichgewichten wesentlich
reduziert sind, die von einem Ausmaß der Vereisung hervorgerufen
werden, das von einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in angemessener Weise erkannt werden
könnte.
Ein Zielkonflikt oder Trade-Off besteht zwischen den erkennbaren
Ausmaßen
der Vereisung und dem Betrag der Nachführung, der toleriert werden
kann, so dass der Maximalbetrag der Nachführung in dem Zustand mit einer
Nachführung „nahe Null" eine Auslegungsentscheidung
ist, die einem Fachmann nach dem Erlangen eines Verständnisses
der Prinzipien des Betriebs der vorliegenden Erfindung überlassen
werden kann.
-
In
den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die ein Blattmassenungleichgewicht durch Messung
von Biege momenten an der Blattwurzel 114 unter Bedingungen
mit einem Nachführfehler nahe
Null erkennen, wird ein kurzzeitgemitteltes Signal, das in Folge
der Windscherung vorhanden ist, aus dem überwachten Biegemomentsignal
der Blattwurzel herausgefiltert. In Ausführungsformen, in denen die
aerodynamische Leistungsfähigkeit
des Blattes verwendet wird, um ein Blattmassenungleichgewicht zu
bestimmen, wird die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Blattes in einigen
Ausführungsformen
unter Verwendung der überwachten
Blattdrehzahl und der mittleren freien Windgeschwindigkeit bestimmt,
die unter Verwendung der meteorologischen Instrumente 140 überwacht
wird. Ein bekannter Windzustand (Erregerfunktion) erzeugt innerhalb eines
Genauigkeitsfensters eine bekannte dynamische Antwort. Diese dynamische
Antwort wird durch einen Belastungssensor direkt oder indirekt durch Messung
der Wurzelbiegemomente überwacht.
In dem Fall eines Ungleichgewichtes wird eine Anomalie in der dynamischen
Antwort im Vergleich zu einem Grundlinien-Betriebszustand beobachtet,
wenn die Umgebungsbedingungen Vereisungszustände nicht fördern (z.B. die Temperatur
ist zu hoch). Spezieller wird eine Parks-DQ-Transformation verwendet,
um das rotierende System (Flanschoberfläche und Azimutal-Resetmarkierung
des Blattes) an das feststehende System (Näherungssensoren) anzupassen, was
als ein horizontaler oder vertikaler Vektor oder ein rotierender
Vektor dargestellt werden kann. Dieser Vektor stellt die Biegung
der überwachten
Komponente dar. Diese Biegung kann mit den Biegemomenten der Blattwurzel
korreliert werden. Eine Verringerung des Blattauftriebs kann auch
Vereisungszuständen
zuzurechnen sein. Der Blattauftrieb verursacht ein Biegemoment in
der Flügelebene
und wird in einigen Ausführungsformen
durch das Überwachen
eines sinusförmigen
Blattbiegesignals und das Vergleichen dieser Signale mit den zuvor
aufgenommenen und gespeicherten Signalen eines Blattes überwacht,
das in einem bekannten Fall ohne Eislast bei ähnlichen Windbedingungen betrieben
wird.
-
In
vielen Ausführungsformen
werden die Biegemomente der Blattwurzel entlang einer näherungsweise
in Flügelrichtung
(flapwise) gerichteten Wurzelbiegeachse (d.h. rechtwinklig zu der
Sehnenlinie, einer geraden Linie von der vorderen Kante zu der hinteren
Kante) überwacht.
Die Biegemomente der Blattwurzel können jedoch auch in der näherungsweise
seitlich (edgewise) verlaufenden Wurzelbiegeachse überwacht
werden.
-
Weil
die Vereisung eine verringerte aerodynamische Leistungsfähigkeit
und/oder eine erhöhte Blattmasse
verursacht, verwenden einige Ausführungsformen Signale von Sensoren,
die die zum Einstellen der Blattanstellung oder Pitch verwendeten Anstellmotoren überwachen.
(Die Blattanstellungen werden unter Verwendung der Pitch- oder Anstell-Steuerung 149 eingestellt,
die in 3 gezeigt ist). Blattmassenanomalien können von
Sensoren angezeigt werden, die die Antwort der Anstellmotorbetätigung überwachen,
weil die Antwort langsamer werden kann, wenn Vereisung auftritt.
-
Eis
auf einem Rotorblatt kann mit Hilfe von Schall erkannt werden. Daher
können
zusätzliche Sensoren,
wie z.B. Schwingungssensoren oder Mikrofone (nicht gezeigt) verwendet
werden, um die akustischen Eigenschaften der Blätter 108 oder des Turmes 104 zur
Erkennung einer Vereisung zu überwachen.
Eine Blattmassenveränderung
kann durch eine Verringerung der Eigenfrequenz oder eine Veränderung
der akustischen Charakteristik von entweder einem Blatt 108 oder
dem Turm 104 angezeigt werden. Ein Blattmassenungleichgewicht
kann von einer unterschiedlichen Verringerung der Eigenfrequenzen der
verschiedenen Blätter 108 angezeigt werden.
Jede beliebige Analyse der Signale von den Schwingungssensoren oder
Mikrofonen, die eine Verringerung der Eigenfrequenz oder eine Veränderung
der akustischen Charakteristik erkennen kann, kann zum Erkennen
des Bestehens einer Blattmassenanomalie verwendet werden.
-
In
einigen Ausführungsformen
wird ein Blattmassenungleichgewicht durch einen Sensor für physikalische
Parameter erkannt, der die Ausgangsleistung der Windturbine 100 überwacht.
In einigen Ausführungsformen
wird dieser Parameter unter Verwendung eines aufzeichnenden Stromwandlers
oder Wattmeters oder einem beliebigen anderen Instrument überwacht,
von dem die Ausgangsleistung der Windturbine 100 über einen
Zeitraum abgeleitet werden kann. Ein Rotor 108 im Ungleichgewicht
wird in vielen Fällen
eine Schwingung erzeugen (z.B. bei der Frequenz oder bei den Harmonischen
der gegenwärtigen
Drehzahl der Rotornabe 110), die durch eine solche Analyse
erkannt werden kann. In einigen Ausführungsformen werden Sensoren
für die
Azimutalposition und die Drehzahl des Blattes verwendet, um die
gegenwärtige
Rotationsfrequenz für
die Analyse zu bestimmen. Wenn eine Schwingung erkannt wird, die
auf ein Blattmassenungleichgewicht hindeutet (in einigen Ausführungsformen
unter der Bedingung, dass die überwachten,
meteorologischen Zustandsgrößen eine
Vereisung fördern),
wird eine Vereisungswarnung ausgegeben. In einigen Ausführungsformen
kann auch gleichermaßen
eine verringerte aerodynamische Effizienz erkannt und unter Verwendung
der überwachten
Leistungssignale quantifiziert werden.
-
In
einigen Ausführungsformen
werden Blattmassenveränderungen
unter Verwendung von überwachten
Systembelastun gen erkannt, die mit den vorher überwachten Systembelastungen
einer ansonsten identischen Windturbine verglichen werden, bei der
jedem Rotorblatt 108 bekannte Mengen zusätzlicher
Masse in gleicher Menge hinzugefügt
worden sind. (Der hierin verwendete Ausdruck „ansonsten identisch" bedeutet, dass die
Windturbinen aerodynamische und Energie erzeugende Komponenten aufweisen,
die im Wesentlichen die gleichen sind. Es ist nicht erforderlich,
dass alle Merkmale der verglichenen Windturbinen identisch sind,
wenn die unterschiedlichen Merkmale nicht mit der aerodynamischen
oder der die Energieerzeugung betreffenden Leistungsfähigkeit
zusammenhängen.
Zum Beispiel sollten nur die Größe, die
Form, das Gewicht und die Anzahl der Rotorblätter 108 identisch
sein, während es
ihre Farbe nicht zu sein braucht.) Einige dieser Ausführungsformen überwachen
die Blattwurzelbiegemomente, z.B. die Biegemomente in der seitlichen )
Richtung (edgewise). Anstiege der Blattmasse führen wahrscheinlich zu einer Änderung
des sinusförmigen
seitlichen Biegesignals, das durch Vergleich mit einem vergleichbaren
Blatt erkannt wird, das unter ähnlichen
Windbedingungen betrieben wird und das bekanntermaßen eisfrei
ist. Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung überwachen
entweder die Amplitude oder die RMS (quadratischer Mittelwert)-Amplitude
des seitlichen Biegemomentsignals oder beide. Eine Änderung
einer von beiden oder beider zeigt eine Veränderung der Blattmasse an.
-
Übergänge zwischen
Zuständen
mit Blattmassenungleichgewicht und einem Zustand mit Blattmassenänderung
können
schnell auftreten. Durch Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
beliebige Blattvereisungsfälle
zu erkennen und einen Eisabwurf über
transiente Kurzzeitsignale festzustellen. In einigen Ausfüh rungsformen
der vorliegenden Erfindung wird auch der Ort der Vereisung unter
Verwendung der Beigemomentsignalen von Sensoren erkannt, die an
vielen Orten entlang der Spannweite des Rotorblattes angeordnet
sind. Zum Beispiel und nicht zum Zwecke der Beschränkung weisen
einige Ausführungsformen
Dehnungsmessstreifen, die auf den Rotorblättern, der Nabe, und der Hauptwelle
angeordnet sind, über
die Hauptwellenflanschsensoren und durch andere Verfahren auf.
-
In
einigen Ausführungsformen
und in Bezug auf 8 enthält eine Turbinensteuerung 300 einen Bus 302 oder
andere Kommunikationseinrichtungen, um Informationen zu übertragen.
Der oder die Prozessor(en) 304 sind zum Verarbeiten von
Informationen, einschließlich
der Informationen von den verschiedenen Sensoren (z.B. den Sensoren 116, 120, 128 und 140),
mit dem Bus 302 gekoppelt, um zu bestimmen, ob ein Blattmassenungleichgewicht
oder eine Blattmassenänderung
infolge von Vereisung besteht. Die Turbinensteuerung 300 enthält weiterhin ein
Random-Access-Memory (RAM) 306 und/oder weitere Speichereinrichtung(en) 308.
Das RAM 306 und die Speichereinrichtung(en) 308 sind
mit dem Bus 302 gekoppelt, um die Informationen und die
von dem Prozessoren) 304 auszuführenden Anweisungen zu speichern
und zu übertragen.
Das RAM 306 (und ebenfalls die Speichereinrichtung(en) 308,
falls erforderlich) kann auch zum Speichern temporärer Variablen
oder anderer Zwischeninformationen während der Ausführung der
Anweisungen durch den Prozessor(en) 304) verwendet werden.
Die Turbinensteuerung 300 kann auch ein Read-Only-Memory (ROM)
und/oder eine andere statische Speichereinrichtung 310 enthalten,
die mit dem Bus 302 gekoppelt ist, um statische (d.h. sich
nicht ändernde)
Informationen und Anweisungen zu speichern und diese an den oder
die Prozessor(en) 304 zu liefern. Die Eingabeeinrich tung(en)
bei 312 kann beliebige der hierin beschriebenen oder in
der Fachwelt bekannten Vorrichtungen zum Überwachen der physikalischen, charakteristischen
Größen enthalten,
um Eingangsdaten an die Turbinensteuerung 300 zu liefern.
Die Ausgabeeinrichtungen bei 312 können Vorrichtungen enthalten,
die sichtbare und/oder hörbare
Hinweise an eine Bedienerkonsole (auch nicht gezeigt in 8)
oder an eine automatische Vorrichtung liefern, die aufgrund solcher
Informationen handelt oder diese anordnet. Die Informationen werden
von einer Speichereinrichtung, wie z.B. einer Magnetplatte, einem
Read-Only-Memory (ROM), einer integrierten Schaltung, einer CD-ROM
oder einer DVD, über
eine Fernverbindung, die entweder verdrahtet oder drahtlos ist und
Zugang zu einem oder mehreren elektronisch zugänglichen Medien etc. gewährt, an
den Speicher geliefert. In einigen Ausführungsformen können fest
verdrahtete Schaltungen anstelle von oder in Kombination mit Softwareanweisungen
verwendet werden. Folglich ist die Ausführung der Befehlssequenzen
nicht auf irgendwelche speziellen Kombinationen von Hardwareschaltungen
und Softwareanweisungen beschränkt.
-
Eine
Sensorschnittstelle 314 ist eine Schnittstelle, die es
der Turbinensteuerung 300 erlaubt, mit einem oder mehreren
Sensoren innerhalb einer Windturbine, einschließlich den zur Bestimmung eines
Blattmassenungleichgewichtes und einer Blattmassenänderung
verwendeten Sensoren zu kommunizieren. Sie Sensorschnittstelle 314 kann
z.B. ein oder mehrere Analog-Digital-Wandler sein oder enthalten,
die analoge Signale in digitale Signale umwandeln, die von dem Prozessor(en) 304 verwendet werden
können.
-
In
einigen Ausführungsformen
und mit Bezug auf das Flussdiagramm 400 in 9 werden
in Schritt 402 unter Verwendung meteorologischer Sensoren 140 meteorologische
Bedingungen überwacht. Verschiedene
physikalische, charakteristische Größen der Windturbine im Betrieb,
die im Zusammenhang mit der Masse von einem oder mehreren Rotorblättern 108 und/oder
einem Massenungleichgewicht zwischen den Rotorblättern 108 variieren,
werden auch überwacht.
In den Ausführungsbeispielen,
die durch das Flussdiagramm 400 dargestellt werden, findet
die Überwachung
solcher physikalischer Bedingungen in den Schritten 404, 406 und 408 statt. Folglich
werden die Geschwindigkeit und die Beschleunigung (und in bestimmten
Ausführungsformen
die Änderungen
der Beschleunigungen) des Rotors 106 in dem Schritt 404 in
einigen Ausführungsformen überwacht,
in denen ein Blattmassenungleichgewicht überwacht wird. In einigen Ausführungsformen,
in denen eine Blattmassenänderung überwacht
wird, wird in dem Schritt 406 ein mechanisches und/oder
elektrisches Moment überwacht.
Biegebewegungen der Blattwurzel werden in dem Schritt 408 überwacht.
Einige Ausführungsformen überwachen
keine Nachführfehler
und schreiten direkt zu dem Schritt 414 fort. Viele Ausführungsformen überwachen
jedoch in dem Schritt 410 den Nachführfehler. Wenn bei 412 ein
Nachführfehler überwacht
worden ist und nicht nahe bei Null liegt, enthalten einige Ausführungsformen
eine Annahme, dass jegliche Spannungen und Rotordrehzahleffekte, die
bei 404 und 408 festgestellt worden sind, nicht das
Ergebnis einer Vereisung, sondern stattdessen das Ergebnis von den
von einem Nachführzustand verursachten
gyroskopischen Belastungen sind. Daher wird keine Handlung vorgenommen,
um entweder ein Blattenmassenungleichgewicht oder eine Blattmassenänderung
zu signalisieren. Nachführzustände können sich
jedoch ändern
oder durch die Windturbine 100 korrigiert werden, wenn
die Windturbine 100 zur Vornahme einer solche Korrektur
eingerichtet ist. Daher korrigieren verschiedene Ausfüh rungsformen
der vorliegenden Erfindung entweder den Nachführfehler und wiederholen danach
die Schritte 402, 404, 406, 408 und 410 (und
vielleicht 412) oder sie wiederholen die Schritte 402, 404, 406, 408 und 410,
bis eine Menge von Signalen mit einem Nachführfehler nahe bei Null gewonnen
worden ist. (Zusätzlich
zur Durchführung
der in dem Flussdiagramm 400 gezeigten Schritte können der
Computer, der Prozessor und/oder die Turbinensteuerung 300 in
einigen Ausführungsformen
auch dazu programmiert sein, beim Korrigieren des Nachführfehlers
mitzuwirken).
-
Nicht
alle der Schritte 402, 404, 406, 408 und 410 müssen in
allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Darüberhinaus
ist die Reihenfolge, in der die Schritte 402, 404, 406, 408 und 410 ausgeführt werden,
unbedeutend, obwohl diese Schritte in einigen Ausführungsformen innerhalb
einer ausreichend kurzen Zeit ausgeführt werden, so dass ihre Beziehung
zueinander zuverlässig
hergestellt wird.
-
Eine
oder mehrere der überwachten
physikalischen, charakteristischen Größen werden zur Feststellung
verwendet, ob eine Blattmassenanomalie besteht. Folglich wird, wenn
der Nachführfehler
in dem Schritt 412 nahe bei Null liegt, ein kurzzeitgemitteltes
Signal in Abhängigkeit
von der Windscherung in denjenigen Ausführungsformen, in denen die
Biegemomente der Blattwurzel überwacht
werden, bei 414 aus den Blattwurzelbiegemomenten herausgefiltert.
Als Nächstes
werden die gefilterten Signale (in den Ausführungsformen, in denen die
Filterung bei 412 durchgeführt wird) und beliebige überwachte
Signale in dem Schritt 416 verarbeitet, um die Abweichungen
von den erwarteten Werten zu bestimmen, wenn die Massen der Rotorblätter 108 in
den Ausführungsformen,
in denen ein Blattmassenungleichgewicht überwacht wird, ausgeglichen
sind. In den Ausführungsformen,
in denen eine Blattmassenänderung überwacht
wird, wird eine Prüfung
auf plötzliche Änderungen
der Beschleunigung, der Biegemomente und/oder des Momentes (mechanisch
und/oder elektrisch) vorgenommen. Abweichungen eines beliebigen
der gefilterten oder überwachten
Signale können
benutzt werden, um in dem Schritt 418 festzustellen, ob
ein Blattmassenungleichgewicht BMI besteht und/oder in dem Schritt 426 festzustellen,
ob eine Blattmassenänderung
BMC vorliegt.
-
Zahlreiche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung überprüfen auch,
ob die überwachten
meteorologischen Zustandsgrößen mit
einer Blattvereisung vereinbar sind. Folglich werden in den Ausführungsformen,
in denen auf ein Blattmassenungleichgewicht hin geprüft wird,
die von den meteorologischen Sensoren angezeigten atmosphärischen
Bedingungen in dem Schritt 420 untersucht, um festzustellen,
ob diese Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind, wenn
in dem Schritt 418 eine eine Blattmassenungleichgewichtsstörung anzeigende
Abweichung festgestellt worden ist. (Eisbildung wird als möglich angesehen,
wenn gegenwärtige
meteorologische Bedingungen vorliegen, die eine Vereisung fördern, oder
wenn solche Bedingungen kurz genug vorher vorgelegen haben, so dass Eis,
das sich gebildet haben kann, noch auf den Rotorblättern 108 vorhanden
sein kann.) Wenn eine Vereisung möglich ist (was in einigen Ausführungsformen
z.B. bedeuten kann, dass die Wahrscheinlichkeit für Eisbildung
einen ausgewählten
Schwellenwert überschreitet),
wird in dem Schritt 422 ein Blattmassenungleichgewicht
infolge von Vereisungsbedingungen signalisiert. Einige Ausführungsformen zeigen
in dem Schritt 424 ein nicht eisbedingtes Blattmassenungleichgewicht
an, wenn eine Eisbildung in dem Schritt 420 nicht für möglich gehalten
wird, obwohl ein von anderen Ursachen als Vereisung hervorgerufenes
Blattmassenungleichgewicht nicht in jeder Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung angezeigt wird. Ein in dem Schritt 422 erzeugtes
Signal kann in einigen Ausführungsformen
verwendet werden, um automatisch eine Korrekturmaßnahme einzuleiten
(wie z.B. das Aktivieren eines Enteisers auf einem Blatt 108,
dessen Vereisung festgestellt worden ist, oder Verstellen der Rotorblätter 108 in
die Segelstellungen (Feathered Position) im Wind, um die Beanspruchung
zu verringern). Bei einigen Ausführungsformen
wird ein vereisungsbedingtes Blattmassenungleichgewichtsignal auf
einer entfernten Konsole ausgegeben, um einen Bediener zu alarmieren,
dass Maßnahmen
zur Abhilfe geboten sind. In den Ausführungsformen, in denen ein
nicht eisbedingtes Blattmassenungleichgewicht angezeigt wird, können unterschiedliche
Korrekturmaßnahmen
erforderlich sein. Ob und wie solche Korrekturmaßnahmen durchgeführt werden,
wird nicht als ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung
angesehen.
-
Wenn
keine Abweichung festgestellt worden ist, die in dem Schritt 418 eine
Blattmassenungleichgewichtstörung
anzeigt, oder wenn in anderen Ausführungsformen, in denen auf
eine Blattmassenänderung
hin geprüft
wird, eine überwachte
Abweichung oder eine plötzliche Änderung
der Beschleunigung, der Biegemomente und/oder des Momentes festgestellt
wird, die in dem Schritt 426 eine Blattmassenänderungsstörung anzeigt,
werden die von den meteorologischen Sensoren angezeigten atmosphärischen Bedingungen
in dem Schritt 428 untersucht, um festzustellen, ob eine
Vereisung möglich
ist. Wenn eine Vereisung möglich
ist, wird in dem Schritt 430 eine Blattmassenänderung
in Folge von Vereisung angezeigt.
-
Einige
Ausführungsformen
zeigen in dem Schritt 432 auch eine nicht eisbedingte Blattmassenänderung
an, wenn eine Vereisung in dem Schritt 428 nicht für möglich gehalten
wird, obwohl eine von anderen Ursachen als Vereisung hervorgerufene Blattmassenänderung
nicht in jeder Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung signalisiert wird. Ein in dem Schritt 430 erzeugtes
Signal kann in einigen Ausführungsformen
dazu verwendet werden, automatisch eine Korrekturmaßnahme einzuleiten
(wie z.B. das Aktivieren eines Enteisers auf einem Blatt 108,
das als vereist erkannt worden ist, oder das Anstellen der Rotorblätter 108 in
den richtigen Winkeln zum Wind, um die Spannung zu verringern).
In einigen Ausführungsformen
wird ein eisbedingtes Blattmassenänderungssignal auf einer entfernten
Konsole angezeigt, um einen Bediener zu alarmieren, dass Maßnahmen
zur Abhilfe erforderlich sind. Bei Ausführungsformen, in denen eine
nicht eisbedingte Blattmassenänderung
signalisiert wird, können
unterschiedliche Korrekturmaßnahme(n)
geboten sein. Ob und wie solche Korrekturmaßnahmen durchgeführt werden,
wird nicht als ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung
angesehen.
-
Wenn
das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt worden ist und
die überwachten meteorologischen
Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden,
erfordert das Anzeigen einer eisbedingten Blattmassenanomalie nicht
notwendigerweise, dass ein binäres
Signal ausgegeben werden muss, das „Vereisung" oder „keine Vereisung" angezeigt. In einigen
Ausführungsformen kann
das ausgegebene Signal eine abgeleitete Wahrscheinlichkeit für Vereisung
anzeigen. In solchen Fällen
kann „Anzeigen
einer eisbedingten Blattmassenanomalie, wenn das Bestehen einer
Blattmassenanomalie festgestellt worden ist" das Anzeigen einer geringen Wahrscheinlichkeit
oder der Wahrscheinlichkeit Null für Vereisung bedeuten, wenn
die überwachten
meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung nicht vereinbar
angesehen werden, und es kann eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine Vereisung
bedeuten, wenn das Bestehen einer Blattmassenanomalie festgestellt
worden ist und die überwachten
meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen
werden.
-
Wenn
in dem Schritt 426 keine eine Blattmassenänderung
anzeigende Abweichung festgestellt wird (oder in den Ausführungsformen,
in denen eine Blattmassenänderung
nicht überprüft wird,
und wenn in dem Schritt 418 keine für ein Blattmassenungleichgewicht
kennzeichnende Abweichung festgestellt worden ist), können die
Schritte 402, 404, 406, 408 und 410 wiederholt
und der durch das Flussdiagramm 400 dargestellte Ablauf
fortgesetzt werden.
-
Obwohl
zahlreiche der hierin beschriebenen Ausführungsformen einen Nachführfehler
ungleich Null erfordern, um die Wurzelbiegemomente zu der Überprüfung zu
verwenden, ob die Wurzelbiegemomente für eine Blattmassenanomalie
kennzeichnend sind, ist ein Nachführfehler ungleich Null nicht
in allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ein Erfordernis. Wenn der Nachführfehler
z.B. überwacht wird
oder auf andere Weise bekannt ist, können der Computer, der Prozessor
und/oder die Turbinensteuerung 300 in einigen Ausführungsformen
eine gyroskopische Belastung des Rotors 106 bestimmen.
Der Computer, der Prozessor und/oder die Turbinensteuerung 300 können dann
eine geeignete Korrektur für die
ermittelte gyroskopische Belastung liefern und/oder diese anpassen
oder berücksichtigen, wenn
bestimmt wird, ob anzuzeigen ist, dass eine Störung hinsichtlich einer physi kalischen,
charakteristischen Größe der Windturbine 100 von
einer Blattmassenanomalie hervorgerufen wird.
-
In
einigen Ausführungsformen
können
Blattmassenanomalien erkannt werden, indem die Gondel 102 absichtlich
um die senkrechte Achse gedreht oder gegiert wird. Wenn die Gondel 102 nachgeführt oder
gegiert wird, sind die so erzeugten gyroskopischen Belastungen konstant,
bis ein Blattmassenungleichgewicht vorhanden ist. Daher kann das
Auftreten einer variablen gyroskopischen Belastung erkannt und verwendet
werden, um ein Blattmassenungleichgewicht anzuzeigen.
-
Eine
Blattmassenanomalie kann als ein Ergebnis von sich langsam bildendem
Eis auftreten, das sehr gleichmäßig verteilt
ist. In einigen Fällen kann
die Auflösung
der Sensoren nicht ausreichen, um solches Eis zu erkennen. Wenn
das resultierende Eis jedoch ungleichmäßig abbricht, wie z.B. bei
einem plötzlichen
Abscheren von einem Blatt, besteht ein plötzliches Massenungleichgewicht,
das erkannt werden kann.
-
Ein
anderer physikalischer Parameter, der zum Erkennen von Blattmassenanomalien
verwendet werden kann, ist der Anstellwinkel oder Angriffswinkel
der Rotorblätter 108.
Wenn dieser Anstellwinkel für
eine gemessene Windgeschwindigkeit außerhalb der erwarteten Grenzen
liegt, ist eine durch Vereisung verursachte, verringerte aerodynamische Leistungsfähigkeit
wahrscheinlich. Daher sind der Computer, der Prozessor und/oder
die Turbinensteuerung 300 in einigen Ausführungsformen
so programmiert, dass sie eine Blattmassenanomalie signalisieren,
wenn das Anstellsystem 149 die Rotorblätter 108 außerhalb
eines vorbestimmten Nennbereiches für eine von den meteorologischen
Sensoren 140 gemessene Windgeschwindigkeit anstellt.
-
Es
wird daher verstanden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung die Erkennung und Anzeige von eisbedingten Blattmassenanomalien
ermöglichen,
die die Leistungsfähigkeit
der Windturbinenkraftwerke verringern oder möglicherweise schädigende
Systembelastungszustände
verursachen, wobei die Vornahme von Korrekturmaßnahmen ermöglicht wird, wenn dies erforderlich
ist.
-
Ein
Verfahren zum Erkennen von Eis 112 an einer Windturbine 100,
die einen Rotor 106 und ein oder mehrere Rotorblätter 108 enthält, die
jeweils Blattwurzeln aufweisen, enthält das Überwachen 402 von
meteorlogischen Bedingungen im Zusammenhang mit Vereisungs 112-Zuständen und
das Überwachen 404, 406, 408 einer
oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der
Windturbine im Betrieb, die im Zusammenhang mit der Masse des einen
oder der mehreren Rotorblätter
und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern variieren.
Das Verfahren enthält
auch die Verwendung der einen oder der mehreren überwachten physikalischen,
charakteristischen Größen zum
Bestimmen 418, 426, ob eine Blattmassenanomalie
vorliegt, das Bestimmen 420, 428, ob die überwachten meteorologischen
Bedingungen mit einer Blattvereisung vereinbar sind und das Anzeigen 422, 430 einer eisbedingten
Blattmassenanomlie, wenn das Vorliegen einer Blattmassenanomalie
festgestellt worden ist und die überwachten
meteorologischen Bedingungen als mit einer Vereisung vereinbar angesehen werden.
-
Obwohl
die Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezielle Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung
innerhalb des Geistes und des Bereiches der Ansprüche auch
mit Abwandlungen in die Praxis umgesetzt werden kann.
-
- 100
- Windturbine
- 102
- Gondel
- 104
- Turm
- 106
- Rotor
- 108
- Rotorblatt
- 110
- Rotornabe
- 112
- Eis
- 114
- Rotorblattwurzel
- 116
- Sensor
- 118
- Hauptrotorwelle
- 120
- Sensor
- 122
- Getriebe
- 124
- Hauptlager
- 126
- Lichtleitfaser
- 128
- Sensor
- 132
- Befestigungspunkt
- 134
- Dehnungsmessstreifen
- 136
- Näherungssensor
- 137
- Näherungssensor
- 139
- Drehgeber
- 140
- Meteorologische
Sensoren
- 141
- Langsam
drehende Welle
- 143
- Sensor
- 145
- Wellenflansch
- 147
- Sensorklammer
- 149
- Anstellsteuerungssystem
- 300
- Turbinensteuerung
- 302
- Bus
- 304
- Prozessor
- 306
- RAM
- 308
- Speichereinrichtung
- 310
- statische
Speichereinrichtung, ROM
- 312
- Eingabe/Ausgabe-Einrichtung
- 314
- Sensorschnittstelle
- 400
- Flussdiagramm
- 402
- Überwachen
meteorologischer Bedingungen
- 404
- Überwachen
von Rotordrehzahl und -beschleunigung
- 406
- Überwachen
des mechanischen und/oder elektrischen Mo
-
- mentes
- 408
- Überwachen
der Blattwurzelbiegebewegung
- 410
- Überwachen
des Nachführfehlers
- 412
- Bestimmen,
ob der Nachführfehler
nahe bei Null liegt
- 414
- Filtern
eines kurzzeitgemittelten Signals gemäß der
-
- Windscherung
aus den Blattwurzelbiegemomenten
- 416
- Verarbeiten
der gefilterten und überwachten Signale,
um
-
- Abweichungen
von den erwarteten Werten zu bestimmen
- 418
- Bestimmen,
ob ein Blattmassenungleichgewicht vorliegt
- 420
- Analysieren
der von den meteorologischen Sensoren ange
-
- zeigten
Atmosphärenbedingungen,
um festzustellen, ob
-
- diese
Bedingungen mit Blattvereisung vereinbar sind
- 422
- Signalisieren
eines vereisungsbedingten Blattmassenung
-
- leichgewichtes
- 424
- Signalisieren
eines nicht vereisungsbedingten Blatt
-
- massenungleichgewichtes
- 426
- Bestimmen,
ob eine Blattmassenänderung vorliegt
- 428
- Analysieren
der von den meteorologischen Sensoren ange
-
- zeigten
Atmosphärenbedingungen,
um festzustellen, ob
-
- Vereisung
möglich
ist
- 430
- Signalisieren
einer vereisungsbedingten Blattmassen
-
- änderung
- 432
- Signalisieren
einer nicht vereisungsbedingten Blatt
-
- massenänderung