-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Windgeschwindigkeit
und/oder der Windrichtung an einer Windenergieanlage, sowie eine
entsprechend ausgerüstete
Windenergieanlage.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
In
der
DE 201 14 351
U1 ist ein Windvektorbestimmungsgerät beschrieben, das in Windenergieanlagen
durch die Nabe des Rotors geführt
vor dem Rotor zum Einsatz kommen soll. Über entsprechende Lager findet
eine Entkopplung der Drehbewegung des Rotors von der Baueinheit
des Windvektorbestimmungsgerätes
statt.
-
Um
solche in der Nabe des Rotors liegenden Sensoren mit der erforderlichen
Energie zu versorgen, sind ein hohes Maß an Verkabelungsaufwand und
die Weiterführung
der Stromleitung über
Drehdurchführungen
erforderlich.
-
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 und
die mit vergleichsweise geringem Aufwand mit Strom versorgt werden
kann.
-
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 angebrachtes Gewicht im Wesentlichen
in einer vorbestimmten Position gehalten wird, wobei ein Generator
in der in Anspruch 1 angegebenen Weise die Stromversorgung des Windsensors
besorgt.
-
Die
Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch eine Windenergieanlage gemäß Anspruch
8. Die Ansprüche
2 bis 7 geben Vorteilhafte Weiterbildungen an.
-
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 exzentrisches Gewicht
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.
-
Erfindungsgemäß erfolgt
die Versorgung mit elektrischer Energie zum Betrieb des Windsensors und/oder
einer Regelungseinheit vorwiegend über einen Generator erfolgt.
Dabei wird erfindungsgemäß die Relativbewegung
des Instrumententrägers
zum Rotorkopf zur Stromgewinnung genutzt. 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 aufgrund 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.
-
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.
-
Ein
erfindungsgemäßes Windmesssystem ermöglicht insbesondere
eine genauere Messung der Windrichtung. So kann der Rotor einer
Windenergieanlage in seiner Stellung genauer der vorherrschenden
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.
-
Gemäß Anspruch
2 kann das Windmesssystem die Ausgangssignale der Windsensoren über eine
in die Steuer- und Signaleinheit implementierte Berechnungsroutine
vor verarbeiten und/oder komprimieren.
-
Besonders
vorteilhaft ist das Windmesssystem gemäß Anspruch 3 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 erfindungsgemäß vorgesehenen
Energieversorgung besonders vorteilhaft aus, da hier 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.
-
Gemäß Anspruch
4 verfügt
das Windmesssystem zu mindest über
Windrichtungs- und/oder Windgeschwindigkeitssensoren.
-
Wenn
die Energieversorgung auch bei still stehendem Rotor gesichert sein
beziehungsweise redundant ausgelegt werden soll, kann die elektrische Energie
zum Betrieb der Messsensoren und der Steuer- und Signaleinheit zumindest
teilweise zusätzlich
auch durch eine Fotovoltaik-Anlage gewonnen werden, die an den Instrumententräger angebunden
werden kann. Alternativ oder zusätzlich
kann die Stromversorgung zum Be trieb 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
7 der Energiespeicher zumindest einen Teil des exzentrischen Gewichts
bildet.
-
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 erfolgen kann. Durch
die Stromeigenversorgung und die drahtlose Datenübermittlung kann auch die Systemintegration
in die Anlage auf einfache Weise erfolgen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Auch
kann die gewonnene elektrische Energie für die Versorgung weiterer im
Rotorkopf verbauter Systeme wie z. B. Dehnungsmesseinrichtungen und
Schwingungssensoren genutzt werden.
-
Weiter
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Schilderung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Figur. Es zeigen:
-
1 schematisch
den Rotorkopf einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Windmesssystem
mit eigenen Energieversorgungen und
-
2 schematisch
ein erfindungsgemäßes Windmesssystem,
dass direkt auf die Nabe der Rotoren montiert ist (ohne Darstellung
des erfindungsgemäß vorzusehenden
Generators).
-
Die
Figuren stellen rein schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen
dar und sind insbesondere nicht maßstabsgerecht. Die Figuren sind
ferner nicht beschränkend.
-
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.
-
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 2 exemplarisch gezeigt ist.
-
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 vorhandenen 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.
-
Die
Energieversorgung der Windsensoren 1 und der Steuer- und
Signaleinheit 6 erfolgt in diesem bevorzugten Beispiel
vorwiegend durch die Nutzung des aufrichtenden Momentes zur E nergiegewinnung. Dabei
wird das durch das exzentrische Gewicht 5 erzeugte Drehmoment über den
an den Instrumententräger 2 angebundenen
Generator-Läufer 10A und den
an den drehenden Halter 8 angebundenen Generator-Ständer 10B in
elektrische Energie umgewandelt. Zusätzlich verfügt das hier 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, insbesondere einem erfindungsgemäß vorzusehenden, über Reib-
oder Zahnrad angetriebenen Generator mit Übersetzungsgetriebe, ausgerüstet sein.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird auch das Eigengewicht
eines Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie, für die Erzeugung
des aufrichtenden Momentes genutzt.
-
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.
-
In
der derzeit favorisierten Ausführung
ist das Windmesssystem sowohl für
die Erstausrüstung neuer
Windenergieanlagen als auch für
die Nachrüstung
bereits errichteter Windenergieanlagen geeignet.
-
Die
Vorteile der Erfindung und ihre vorteilhaften Weiterbildungen liegen
insbesondere in einer preiswert und nachrüst bar erzielten von der Drehbewegung
des Rotors entkoppelten statischen Positionierung der Messsensoren
auf der dem Wind zugewandten Seite des Rotors in Höhe der Rotordrehachse
und einer Nutzung der relativen Drehbewegung des Rotors zum Geräteträger und
des aufrichtenden Momentes zur Energiegewinnung mittels eines Stromgenerators
und einfacher Montage durch drahtlose Datenübertragung.
-
- 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