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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Windgeschwindigkeit
und/oder der Windrichtung an einer Windenergieanlage, sowie eine
entsprechend ausgerüstete
Windenergieanlage.
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Die
Aufgabe des Rotors einer Windenergieanlage ist es, die kinetische
Energie der Luftmassen in ein nutzbares Drehmoment umzuwandeln.
Dabei haben Winkelabweichungen der Rotordrehachse von einer vorgegebenen
Stellung zu der Windrichtung einen negativen Einfluss auf den Energieertrag.
Die überwiegende
Zahl von Windenergieanlagen ist mit Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsmessern ausgerüstet, deren
Ausgangssignale in der Anlagensteuerung vor allem für die Windnachführung und
die Einstellung des Rotors genutzt werden.
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Vereinzelt
wurde in der Vergangenheit der Wind vor der Rotornabe gemessen.
In den damaligen Ausführungen
wurde über
eine Drehdurchführung durch
die Rotorwelle die Messposition vor dem Rotor erreicht. Auf Grund
des hohen technischen Installationsaufwandes, der bei den immer
größer werdenden Windenergieanlagen
zunimmt, hat sich dieses Verfahren nicht durchgesetzt.
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Üblicherweise
erfolgt die Windmessung mit Anemometern und Windfahnen, die auf
dem Maschinenhaus der Windenergieanlage montiert sind. Da dieser
Messort bei heutigen Anlagen auf der dem Wind abgewandten Seite
des Rotors liegt, erfolgen die Windmessungen in einer turbulenten
Strömung, die
von der Abschattung des Rotors hervorgerufen wird. Die daraus folgende
breite Streuung der Messergebnisse führt trotz mathematischer Bearbeitung zu
Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Windrichtung und Windgeschwindigkeit,
die sich zu einem Leistungsverlust der Anlage auswirken können.
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Mit
einer genaueren Messung der Windrichtung im nicht turbulenten Luftstrom
könnte
auch der Rotor einer Windenergieanlage genauer der vorherrschenden
Windrichtung angepasst werden. Damit würden zum einen der Energieertrag
erhöht
und zum anderen die Betriebslasten dadurch reduziert, da ungünstige Rotorstellungen,
die zu Schräganströmungen und
Strömungsabrissen
führen,
vermieden werden könnten.
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Aufgabe
dieser Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, welche
auf einfache Weise die Windrichtung und Windgeschwindigkeit auf
der dem Wind zugewandten Seite des Rotors in einer weitgehend ungestörten Strömungssituation
erfasst.
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Erfindungsgemäß gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Windmesssystem gemäß Anspruch 1 für eine mit
mindestens einem zur Windrichtung verstellbaren Rotor ausgerüstete Windenergieanlage,
beinhaltend einen auf der dem Wind zugewandten Seite des mindestens
einen Rotors positionierten Windsensor, bei dem der Windsensor auf
einem von der Drehbewegung eines Rotorkopfes durch ein Drehlager
entkoppelten Instrumententräger
angebracht ist und der Instrumententräger über ein exzentrisch zur Drehachse
des mindestens einen Rotor ange brachtes Gewicht im Wesentlichen
in einer vorbestimmten Position gehalten wird.
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Die
Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch eine Windenergieanlage gemäß Anspruch
10. Die Ansprüche
2 bis 9 geben Vorteilhafte Weiterbildungen an.
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Die
Drehentkopplung erfolgt dabei über
ein Drehlager, das den Instrumententräger drehbar mit einer nabenseitig
angebrachten Halterung verbindet, und über die Erzeugung eines der
Drehbewegung des Rotors entgegen gesetzten aufrichtenden Momentes.
Das aufrichtende Moment wird über
das exzentrisch zur Drehachse angebrachte Gewicht erzeugt. Im einfachsten
Fall besteht das exzentrische Gewicht aus dem einen oder den mehreren
Windmesssensoren selbst und/oder weiteren Beuteilen der Messvorrichtung,
wie elektronischen Bauteilen. In diesem Fall zeigen diese Bauteile,
im einfachsten Fall auch die Windsensoren während des Betriebs nach unten.
Zum Ausrichten der Windsensoren nach oben, so dass sie über der
Drehachse positioniert sind, wird ein zusätzliches xzentrisches Gewischt
angebracht, welches beispielsweise über einen Kragarm mit dem Instrumententräger verbunden
werden kann. Instrumententräger
und Kragarm können
dabei aus einem Stück,
insbesondere einem gebogenen Stab bestehen, oder aufwendiger ausgeführt sein.
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Die
Windmessung kann grundsätzlich
auf alle erdenklichen und technisch möglichen Arten erfolgen, wobei
hier insbesondere mechanische Windfahnen, Schalenkreuz-Anemometer,
Ultraschall- und Lasermessungen sowie Staukrallen bevorzugt werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Windmesssystem ermöglicht insbesondere
eine genauere Messung der Windrichtung. So kann der Rotor einer
Windenergieanlage in seiner Stellung genauer der vor herrschenden
Windrichtung angepasst werden. Damit werden der Energieertrag erhöht und die
Betriebslasten reduziert. Das System ermöglicht des Weiteren eine einfache
Montage und kann bei fast allen Windenergieanlagen verwendet und
gegebenenfalls einfach nachgerüstet
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Weiterbildung gemäß Anspruch 2, bei der die Versorgung
mit elektrischer Energie zum Betrieb des Windsensors und/oder einer
Regelungseinheit vorwiegend über
einen Generator erfolgt. Dabei kann insbesondere die Relativbewegung
des Instrumententrägers
zum Rotorkopf gemäß Anspruch
3 zur Stromgewinnung genutzt werden. Die relative Drehbewegung des
Instrumententrägers
zur Halterung kann durch das aufrichtende Moment zur Erzeugung der
elektrischen Energie für
die Stromversorgung der Mess- und Signalvorrichtungen genutzt werden.
Dabei kann in einer einfachen Ausführung der Generatorständer an
die Halterung und der Generatorläufer
an den Instrumententräger
angebunden werden oder umgekehrt. Ebenso ist der Antrieb des Generators über ein
Reib- oder Zahnrad oder andere Formen der Kraftübertragung möglich. Dies
erlaubt es, auf auf Grund der meist zwischen dem Windmesssystem
und der Steuerung der Windenergieanlage und den Generatoren der
Windenergieanlage gelegenen Rotoren nötiges aufwendiges Konstruieren
von Stromzuleitungsmöglichkeiten,
beispielsweise mit Hilfe von Schleifkontakten, zu verzichten. Das
Konstruieren solcher elektrischer Zuleitungen ist mit großem Aufwand
verbunden, der so vermieden werden kann.
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Gemäß Anspruch
4 kann das Windmesssystem die Ausgangssignale der Windsensoren über eine
in die Steuer- und Signaleinheit implementierte Berechnungsroutine
vor verarbeiten und/oder komprimieren.
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Besonders
vorteilhaft ist das Windmesssystem gemäß Anspruch 5 so ausgerüstet, dass
eine drahtlose Datenverbindung zwischen dem Windmesssystem, insbesondere
der Steuer- und Signaleinheit, und dem Betriebssystem der Windenergieanlage
aufbaubar ist. Dadurch kann auf das Verlegen von Signalleitungen
zum Windmesssystem verzichtet werden. Dies wirkt sich in Kombination
mit einer eigenen Energieversorgung gemäß Anspruch auf 1, 2, 7 oder
8 besonders vorteilhaft aus, da dann auf ein Verlegen von Leitungen
zum Windmesssystem gänzlich
verzichtet werden kann. Dadurch werden der Einbau und insbesondere
das Nachrüsten
eines erfindungsgemäßen Windmesssystems
besonders einfach und kostengünstig.
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Gemäß Anspruch
6 verfügt
das Windmesssystem zu mindest über
Windrichtungs- und/oder Windgeschwindigkeitssensoren.
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Wenn
auf eine Verkabelung und einen Generator verzichtet werden soll
oder die Energieversorgung auch bei still stehendem Rotor gesichert
sein soll beziehungsweise redundant ausgelegt werden soll, kann
die elektrische Energie zum Betrieb der Messsensoren und der Steuer-
und Signaleinheit zumindest teilweise durch eine Fotovoltaik-Anlage
gewonnen werden, die an den Instrumententräger angebunden werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann
die Stromversorgung zum Betrieb des Messsensors und/oder der Steuer-
und Signaleinheit durch einen Energiespeicher erfolgen und/oder
gepuffert werden. Dies kann besonders vorteilhaft ausgestaltet werden,
wenn gemäß Anspruch
8 der Energiespeicher zumindest einen Teil des exzentrischen Gewichts
bildet.
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Das
erfindungsgemäße Windmesssystem eignet
sich sowohl für
eine Integration in neu gebaute Anlagen wie auch zur Nachrüstung in
bestehende Anlagen, wobei eine Nachrüstung auf einfache Weise ohne
Demontage größerer Anlagenkomponenten durch
den Anbau des Windmesssystems an den Rotorkopf erfol gen kann. Durch
die Stromeigenversorgung und die drahtlose Datenübermittlung kann auch die Systemintegration
in die Anlage auf einfache Weise erfolgen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der beschriebenen Erfindung beinhaltet
eine Messung der Größe der Auslenkung
der Masse, die das aufstellende Moment erzeugt. Dieser Messwert
kann insbesondere der Alterungsüberwachung
der Lager dienen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
System zur Messung der Rotordrehzahl bzw. der Winkelposition des
Rotors integriert. Auf Grund der Baugröße ist es heute bei den vorbekannten
Windenergieanlagen in der Regel nicht möglich, diese Werte hochgenau
zu messen. Die vorliegende Erfindung eröffnet jedoch die Möglichkeit, im
Rahmen einer Weiterbildung auf kleinem Raum hochgenaue Systeme unterzubringen,
um auch diese Daten zu erfassen. Diese Messwerte können genutzt
werden, um beispielsweise andere Mess- und Regelsysteme zu steuern.
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Ebenso
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer integrierten (elektronischen) Vorrichtung zur Unterdrückung von
Drehschwingungen, die einen Einfluss auf die Eindeutigkeit der Messwerte haben,
ausgerüstet
werden.
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Auch
kann die gewonnene elektrische Energie für die Versorgung weiterer im
Rotorkopf verbauter Systeme wie z. B. Dehnungsmesseinrichtungen und
Schwingungssensoren genutzt werden.
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Weiter
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Schilderung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Figur. Es zeigen:
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1 schematisch
den Rotorkopf einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Windmesssystem
und eigenen Energieversorgungen;
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2 schematisch
den Rotorkopf einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Windmesssystem
ohne eigene Energieversorgung;
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3 schematisch
den Rotorkopf einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Windmesssystem
mit Fotovoltaik-Anlage;
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4 schematisch
ein erfindungsgemäßes Windmesssystem,
dass direkt auf die Nabe der Rotoren montiert ist.
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Die
Figuren stellen rein schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen
dar und sind insbesondere nicht maßstabsgerecht. Die Figuren sind
ferner nicht beschränkend.
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In 1 ist
im Querschnitt der Rotorkopf 9 einer Windenergieanlage
mit einer weitgehend integrierten Ausführung des erfindungsgemäßen Windmesssystems
dargestellt. Bei der hier mit einem solchen Windmesssystem ausgerüsteten Windenergieanlage
handelt es sich um einen Anlagentyp mit einer um die Längsachse
des Turmes drehbaren Gondel und einem sich um die annähernd waagerecht
liegende Drehachse 3 drehenden Rotor.
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In
der Figur ist schematisch der Rotorkopf in einer aerodynamisch günstigen
Ausgestaltung in Form einer Rotornabenabdeckung dargestellt, die Erfindung
ist auf eine Anwendung bei einer solchen Ausgestaltung des Rotorkopfes
allerdings nicht beschränkt.
Sie kann insbesondere auch direkt an die Rotornabe oder Welle angebunden
werden, wie dies in 4 exemplarisch gezeigt ist.
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Auf
dem Instrumententräger 2 ist
auf der dem Wind zugewandten Seite der Windsensor 1 angebracht.
Der Messpunkt befindet sich in dem vom Rotor nicht turbulent erregten
Luftstrom. Der Instrumententräger
ist parallel zur Drehachse 3 angeordnet, wobei sich der
Windsensor 1 annähernd
in der Symmetrieachse des Rotorkopfes 9 befindet. Der Instrumententräger 2 ist über ein
Drehlager 7 mit der Halterung 8 verbunden, welche
fest an den Rotorkopf 9 angebunden ist. An den Instrumententräger 2 ist über einen
Kragarm 4 das exzentrisch zur Drehachse 3 positionierte
stabilisierende Gewicht 5 angeschlossen. Die Drehentkopplung
erfolgt über
die radiale Lagerung des Instrumententrägers in der Drehachse 3 des
Rotors. Die in dem Drehlager 7 vorhandenen Momente (z.
B. durch Lagerreibung) werden durch ein entgegengesetztes Moment
kompensiert. Dieses aufrichtende Moment wird über das exzentrisch zur Drehachse
angebrachtes Gewicht 5 erzeugt, welches hier über den
Kragarm 4 mit dem Instrumententräger 2 verbunden ist.
Sobald nun die in dem Drehlager 7 vorhandene Momente den
Instrumententräger 2 in
Rotation zu versetzen suchen, wird das Gewicht 5 um die
Achse des Instrumententrägers 2 aus
der Senkrechten gerade soweit ausgelenkt, dass die Lagerungsmomente
kompensiert werden. Somit ist der Instrumententräger 2 durch das Drehlager 7 von
der Drehbewegung des Rotorkopfes 9 entkoppelt und wird
durch das aufrichtende Moment des exzentrisch zur Drehachse 3 angeordneten
Gewichtes 5 in einer weitgehend konstanten Lage gehalten.
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Die
Energieversorgung der Windsensoren 1 und der Steuer- und
Signaleinheit 6 erfolgt in diesem bevorzugten Beispiel
vorwiegend durch die Nutzung des aufrichtenden Momentes zur Energiegewinnung. Dabei
wird das durch das exzentrische Gewicht 5 erzeugte Drehmoment über den
an den Instrumententräger 2 angebundenen
Generator-Läufer 10A und den
an den dre henden Halter 8 angebundenen Generator-Ständer 10B in
elektrische Energie umgewandelt. Zusätzlich verfügt das gezeigte Windmesssystem über eine
fest mit dem Instrumententräger 2 verbundene
Fotovoltaik-Anlage 11 sowie einen ebenfalls mit dem Instrumententräger 2 fest
verbundene Energiespeicher. Die Erfindung ist auf die kombinierte
Verwendung einer Vielzahl von Energiequellen nicht beschränkt, sondern
kann auch ausschließlich mit
einer Energieversorgungseinrichtung, beispielsweise nur mit einer
Fotovoltaik-Anlage 11 (so gezeigt in 3)
oder einen über
Reib- oder Zahnrad angetriebenen Generator mit Übersetzungsgetriebe, ausgerüstet sein
oder auch ohne eigene Energieversorgungseinrichtungen (so gezeigt
in 2) ausgeführt sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird auch das Eigengewicht
eines Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie, für die Erzeugung
des aufrichtenden Momentes genutzt.
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Die
gewonnenen Messdaten werden bevorzugt per Funkverbindung an die
Steuerung der Windkraftanlage übermittelt.
Dabei ist die Funkverbindung fest, also starr, mit dem Instrumententräger verbunden,
um auf Schleifkontakte oder ähnliches
verzichten zu können.
Eine bidirektionale Kommunikation zur Übermittlung von Befehlen an
das Windmesssystem ist ebenfalls denkbar.
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In
der derzeit favorisierten Ausführung
ist das Windmesssystem sowohl für
die Erstausrüstung neuer
Windenergieanlagen als auch für
die Nachrüstung
bereits errichteter Windenergieanlagen geeignet.
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Die
Vorteile der Erfindung und ihre vorteilhaften Weiterbildungen liegen
insbesondere in preiswert und nachrüstbar erzielten von der Drehbewegung des
Rotors entkoppelten stati schen Positionierung der Messsensoren auf
der dem Wind zugewandten Seite des Rotors in Höhe der Rotordrehachse, einer möglichen
Nutzung der relativen Drehbewegung des Rotors zum Geräteträger und
des aufrichtenden Momentes zur Energiegewinnung mittels eines Stromgenerators
und einfacher Montage durch drahtlose Datenübertragung.
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- 1
- Windsensor
- 2
- Instrumententräger
- 3
- Rotor-Drehachse
- 4
- Kragarm
- 5
- Gewicht
- 6
- Steuer-
und Signaleinheit
- 7
- Drehlager
- 8
- Halterung
- 9
- Rotorkopf
- 10A
- Generatorläufer
- 10B
- Generatorständer
- 11
- Fotovoltaik-Anlage