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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen des Spurlaufes der
Rotorblätter einer einen Turm, eine auf dem Turm gegenüber
diesem verschwenkbar angeordnete Gondel und einen an der Gondel
drehbar angeordneten Rotor mit wenigstens zwei Rotorblättern
aufweisenden Windkraftanlage. Sie betrifft in einem weiteren Aspekt
ein Verfahren zum Justieren des Spurlaufes der Rotorblätter
einer Windkraftanlage.
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Unter
Spurlauf wird hier die Gleichförmigkeit bzw. die Diskrepanz
der sogenannten Pitch-Winkel-Einstellungen der einzelnen Rotorblätter
eines Rotors verstanden. Pitch-Winkel-Einstellungen sind die Winkeleinstellungen
der Rotorblätter um deren Längsachse.
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Es
ist bekannt, dass der Anstellwinkel der Rotorblätter einen
entscheidenden Einfluss auf die Leistungscharakteristik und das
Betriebsverhalten einer Windenergieanlage hat. Dabei führen
Fehlstellungen zu einem Minderertrag und erhöhen durch
aerodynamisch erregte Unwuchten die Lasten auf die An lage. Aus diesem
Grund wird der werkseitigen Einmessung der für die spätere
Montage vorzugebenden Winkelmarkierungen an Rotorblatt und Rotorkopf
eine hohe Aufmerksamkeit gewidmet. Trotzdem können Pitch-Winkel-Abweichungen
der Rotorblätter von dem Idealpunkt an errichteten Anlagen
durchaus als ein verbreiteter Fehler bezeichnet werden. Es zeigt
sich, dass häufig schon die Anbringung der so genannten „Nullgrad-Markierung” fehlerhaft
ist.
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Windenergieanlagen
sind üblicherweise so konstruiert, dass sie bei einer Windgeschwindigkeit von
ca. 15 m/s die maximale Leistung erzeugen. Um eine Überlastung
der Windenergieanlage bei stärkeren Winden zu vermeiden,
wird die Anlagenleistung über eine Begrenzung der genutzten
Windenergie geregelt.
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Die
Leistungsregelung erfolgt dabei entweder über einen kontrollierten
Strömungsabriss bei Anlagen, deren Rotorblätter
fest montiert sind oder über die aktive Verdrehung der
Blätter um die Längsachse zur Anpassung des Pitch-Winkels.
Entscheidend für die Genauigkeit der Leistungsregelung
ist in beiden Fällen die aerodynamische Symmetrie des Rotors.
In beiden Auslegungen haben Fehlstellungen einzelner Blätter
einen negativen Einfluss auf die Leistungsregelung und den Energieertrag
und erzeugen zudem höhere Lasten. Dabei ist gerade bei
Anlagen mit verstellbaren Rotorblättern, wie sie heute überwiegend
gebaut werden und zum Einsatz kommen, der Spurlauf die entscheidende
Größe in der Leistungsregelung. Grund hierfür
ist, dass die Blätter solange verstellt werden, bis die
jeweils optimale Leistung erzielt wird. Da die Ansteuerung üblicherweise
synchron erfolgt, übertragen sich Fehlstellungen in alle
Betriebszustände. Gleiches gilt auch für Anlagen
mit feststehenden Rotorblättern.
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In
DE 197 31 918 A1 ist
ein Verfahren beschrieben, in dem über die Auswertung der
Leistungscharakteristik die Fehlstellung des Rotors erkannt und
anschließend abgestellt werden kann. Voraussetzung für
die Anwendung dieses Verfahrens ist der Eingriff in das Betriebssystem
der Windenergieanlage, der in den meisten Fällen nur herstellerseitig erfolgen
kann.
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In
der
DE 196 28 073
C1 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem aerodynamisch
erregte Unwuchten erkannt und minimiert werden können.
Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist der Eingriff
in das Betriebssystem der Windenergieanlage, der in den meisten
Fällen nur herstellerseitig erfolgen kann.
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In
DE 100 32 314 C1 ist
ein Verfahren beschrieben, in dem über eine Konturvermessung
der Blattoberfläche der Anstellwinkel rechnerisch ermittelt
wird. Voraussetzung ist für dieses Verfahren, dass der
hintere Teil des vermessenen Blattabschnitts in seinem Oberflächenverlauf
annähernd einer Geraden entspricht.
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Gängige
Praxis ist es, durch optische Messverfahren mittels an den Rotorblättern
angesetzter Profilschablonen die Profilsehne im Verhältnis
zu gefluchteten Bezuglinien der Windenergieanlage zu bestimmen.
Kennzeichnend für dieses Verfahren ist, dass der Messaufwand
durch die Anbringung der Schablonen auf Grund der Zugangstechnik
recht aufwendig ist und auch die Messmethode selbst ein gewisses „Schätzpotential” beinhaltet
und somit hinsichtlich der Genauigkeit verbessert werden kann.
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Ein
weiteres Verfahren zur Einmessung der Blattstellungen beruht auf
der Vermessung von Photos die vom Boden aus gemacht werden. Die
Güte der mit diesen Verfahren gewonnenen Messdaten ist sehr
von einem dieses Verfahren ausführenden Prüfer
abhängig, da Referenzpunkte und Positionen manuell gesetzt
werden.
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Vor
dem Hintergrund dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren anzugeben, mit welchem auf einfache Weise eine Abweichung
im Spurlauf des Rotors einer Windenergieanlage erfasst werden kann.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung soll ein einfaches Verfahren
angegeben werden, mit dem der Spurlauf der Rotorblätter
hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Pitch-Winkel justiert
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens zum Erfassen des Spurlaufes
der Rotorblätter einer Windkraftanlage erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den abhängigen
Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. In Anspruch 8 ist schließlich
eine erfindungsgemäße Lösung für
ein Verfahren zum Justieren des Spurlaufes eines Rotors einer Windkraftanlage
angegeben, Anspruch 9 enthält hierzu eine vorteilhafte
Gestaltungsvariante.
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Das
Grundprinzip der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es für
die Überprüfung des Spurlaufes eines Rotors nicht
zwingend erforderlich ist, die Pitch-Winkel der einzelnen Rotorblätter
exakt zu kennen und mit aufwendigen Methoden, z. B. einer wie in
der
DE 100 32 314
C1 beschriebenen Vermessung des gesamten Außenprofils
und Rückrechnung auf den Pitch-Winkel, exakt zu bestimmen,
sondern dass vielmehr ein relativer Abgleich der Einstellungen der
Rotorblätter für die Bestimmung des Spurlaufes
(und auch für die entsprechende Nachjustierung) genügt.
In diesem Zusammenhang liegt der Erfindung eine weitere Erkenntnis
zugrunde: Grundsätzlich gibt bereits die Entfernung eines
einzigen Punktes auf der Rotorblattoberfläche zu einem
außerhalb des Rotors gele genen Fixpunkt, insbesondere zum
Turm oder zur Gondel der Windkraftanlage, einen ausreichenden Rückschluss
auf etwaige Unterschiede in der Pitch-Winkel-Einstellung der Rotorblätter,
vorausgesetzt bei jedem der Rotorblätter wird die Abstandsvermessung
zu einem entsprechend identisch gelegenen Punkt auf dem Rotorblatt
vorgenommen. Das Ergebnis der so vereinfachten Messung wird dabei
umso genauer, je weiter ab der bei der Abstandsmessung anvisierte
Punkt auf der Oberfläche des Rotorblattes von der Längs-
und Drehachse des letztgenannten liegt. Insoweit sind von besonderem
Vorteil solche Messpunkte, die nahe der Hinterkante des Rotorblattes
liegen, da diese in der Regel in einem Querschnitt den von der Drehachse
am weitesten entfernten Punkt des Rotorblattes enthalten.
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Erfindungsgemäß wird
hierzu ein berührungsloser Distanzsensor verwendet, der
eine schnelle und auch im Vorbeistreichen der Rotorblätter
mögliche Distanzbestimmung bzw. Abstandsmessung ermöglicht.
Als berührungslose Abstandssensoren können sämtliche
im Stand der Technik bekannte und geeignete Sensoren verwendet werden, z.
B. Ultraschallsensoren oder dgl. Als besonders vorteilhaft haben
sich allerdings optische Sensoren erwiesen, wobei hier Laser-Distanz-Sensoren
insbesondere zu bevorzugen sind. Diese erlauben nämlich ein
für ein gutes Messergebnis vorteilhaft gerichtetes Messen
des Abstandes.
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Um
die Abstandsmessung insgesamt zu erleichtern und insbesondere eine
Abstandsmessung genau zu den zuvor festgelegten Messpunkten auf der
Oberfläche der Rotorblätter zu erzielen, können erfindungsgemäß Messmarken
auf den einzelnen Rotorblättern auf deren Oberfläche
dort angebracht sein, wo die Messpunkte liegen. Diese Messmarken können
z. B. für optische Messsensoren kleine Reflektoren, wie
z. B. reflektierende Aufkleber oder dgl., sein, die für
eine Erhöhung des Kontrastes und genauere Erkennung des
Messpunktes z. B. von Bereichen mit deutlich geringerer Reflektivität
umgeben sein können.
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Wird
der berührungslose Abstandssensor ortsfest an der Gondel
angeordnet, so besteht hier der Vorteil, dass der Sensor zur Messung
ausgerichtet sein kann auf einen Punkt, an dem die Rotorblätter
mit dem Messpunkt vorbei streichen und seine Position relativ zu
diesem anzunehmenden Punkt auch bei Drehen der Gondel nicht ändert
und insoweit langfristig Messwerte und Messwertkurven für die
Abstandswerte aufnehmen kann, die dann wiederum für die
Steuerung der Winkeleinstellung genutzt werden können.
So ist es insbesondere denkbar, dass allein aufgrund von längerfristig
aufgenommenen Messreihen die Winkelanstellung der einzelnen Rotorblätter
(Pitch-Winkel-Einstellung) exakt vorgenommen werden kann nur anhand
der gemessenen Abstandswerte, ohne dass diese mit einer exakten
Pitch-Winkel-Messung verbunden oder eine solche Messung hierzu erforderlich
wäre.
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Der
Messpunkt kann mit besonderem Vorteilen im Bereich eines Rotorblattquerschnittes
mit der höchsten Blatttiefe gewählt werden. Hier
ist eine Variation des Abstandes eines erfindungsgemäß festgelegten
Messpunktes besonders groß, so dass noch genauere Aussagen über
den Spurlauf abgeleitet werden können.
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Die
Tatsache, dass die Vermessung des Spurlaufes mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren so einfach möglich ist, beruht insbesondere auch
auf der Erkenntnis, dass auch im Betrieb die Längsachsen
der Rotorblätter jedenfalls in einem nabennahen Bereich,
in dem die Messpunkte in zweckmäßiger Weise gelegt
werden, im Wesentlichen stabil und positionsgetreu sind, sich also
nicht bzw. nur unwesentlich auslenken las sen. Hierdurch aber gibt
die Vermessung des Abstandes zu dem Messpunkt eine hervorragende
Bezugsgröße für Bestimmungen von Abweichungen
der Pitch-Winkel-Einstellungen der einzelnen Rotorblätter
und somit für die Erfassung des Spurlaufs. Im Übrigen
kann selbst bei einer Auslenkung der Rotorblattlängsachsen
aufgrund einer Windlast davon ausgegangen werden, dass eine solche
Auslenkung für alle Rotorblätter im wesentlichen gleichförmig
erfolgt, so dass auch hier der Abgleich und das Vermessen der Abstände
zu den Messpunkten einer hervorragenden Aussage über den
Spurlauf ergibt.
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Schließlich
gilt es hier noch klarzustellen, dass es selbstverständlich
auch möglich ist, mehr als einen Messpunkt pro Rotorblatt
zu vermessen, beispielsweise zwei, um mit der erfindungsgemäßen Methode
den Spurlauf eines Rotors bzw. der Rotorblätter dieses
Rotors zu erfassen, ohne dass hierbei etwa eine exakte Bestimmung
des Pitch-Winkels vorgenommen wird. Um in der Praxis das Verfahren
so einfach wie möglich zu halten, sollte jedoch bevorzugt
werden, lediglich einen Messpunkt, allenfalls zwei oder drei Messpunkte
pro Rotorblatt in die Vermessung mit einzubeziehen.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es nicht nur möglich, den Spurlauf
eines Rotors zu vermessen, dieser kann darüber hinaus auch
angepasst und eingestellt werden.
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Hierzu
werden die Abstände der Messpunkte der einzelnen Rotorblätter
mit dem erfindungsgemäßen und zuvor beschriebenen
Verfahren bestimmt und die Einstellung der Rotorblätter
solange verändert, bis die Abstände gleichförmig
sind. Für die Praxis hat es sich hierbei als vorteilhaft
erwiesen, wenn zunächst die Abstände zu den Messpunkten
für sämtliche Rotorblätter aufgenommen
und daraus ein mittlerer Abstand gebildet wird, der dann als Sollwert für
sämtliche Rotorblät ter festgelegt wird. Bei der
Mittelwertbildung kann insbesondere eine arithmetische Mittelung
Verwendung finden.
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Auf
diese Weise kann auch der Spurlauf eines aus der Spur geratenen
Rotors eingestellt werden, ohne dass es hierzu die exakte Vermessung
und Kenntnis der jeweiligen Pitch-Winkel der einzelnen Rotorblätter
etwa bedürfte.
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Kommt
das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Vielzahl
von baugleichen Windkraftanlagen zur Anwendung, so kann aus längerfristig
erfassten Statistiken der mit gleichen Aufbauten vermessenen Abstände
zu auf den baugleichen Windkraftanlagen identisch auf den Rotorblättern
angeordneten Messpunkten sogar eine optimierte, genauere Einstellung der
Pitch-Winkel vorgenommen werden, da dann in Relation zu Windgeschwindigkeiten
und Leistungsdaten der Windkraftanlagen über die gemessenen Abstandswerte
optimierte Vorgehensweise bestimmt und in der Steuerung der Anlagen
dann verwendet werden können.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren.
Dabei zeigen:
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1 in
schematischer, dreidimensional angedeuteter Darstellung ein typisches
Rotorblatt einer Windkraftanlage mit drei verschiedenen Schnittebenen;
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2 in
schematischer Anordnung hintereinander die drei in 1 genommenen
Schnittebenen des Rotorblattes zur Verdeutlichung der in Längsrichtung
vorhandenen Verdrehung des Rotorblattprofils;
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3 schematisch
ein an dem Turm einer Windkraftanlage vorbei streichendes Rotorblatt
in drei verschiedenen Pitch-Winkel-Einstellungen und die daraus
resultie renden unterschiedlichen Abstände der Rotorblatt-Hinterkante
in einer Schnittebene; sowie
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4 in
schematischer Darstellung den in 3 dargestellten
und aufgezeigten Sachverhalt in einer seitlichen Ansicht einer Windkraftanlage.
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In
den Figuren ist in stark schematisierten Darstellungen das Prinzip
der Erfindung in einer Ausführungsvariante aufgezeigt und
wird nachstehend erläutert.
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In 1 ist
schematisch und in angedeutet dreidimensionaler Darstellung ein
typisches Rotorblatt einer üblichen Windkraftanlage dargestellt
und allgemein mit 3 bezeichnet. Das Rotorblatt 3 hat
eine in Laufrichtung des Rotors vorn gelegene Vorderkante 4 und
eine dieser gegenüberliegende Hinterkante 5. Mit
einem Anschlussflansch 6 wird das Rotorblatt an der Nabe
eines Rotors einer Windkraftanlage festgelegt. Gestrichelt eingezeichnet
ist die Längsachse 7 des Rotorblattes, die mittig
durch den hier kreisrunden Anschlussflansch 6 hindurch
bis in die Spitze des Rotorblattes verläuft. In der hier
gezeigten Darstellung sind insgesamt drei Schnittebenen 8, 9 und 10 dargestellt,
die in einer schematischen Darstellung in 2 noch einmal
gezeigt sind (unter Fortlassung des Zwischenverlaufes des Rotorblattes 3.
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In
dieser 2 ist nämlich anhand der übereinandergelegten
Darstellungen der Schnittebenen zu erkennen, wie das Rotorblatt
in sich verdreht verläuft, die Position der Hinterkante 5 verlagert
sich bei weiterem Fortschreiten in Richtung der Blattspitze, also
weg von dem Anschlussflansch 6 in einer Drehung um die
Längsachse 7 im Uhrzeigersinn.
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Diese
vorangestellten Ausführungen machen es, zusammen mit dem
nachfolgenden Erläuterungen deutlich, warum für
das erfindungsgemäße Verfahren bei solchen üblichen
Rotorblättern für die einfache punktuelle Abstandsmessung
zu beispielsweise einem einzigen, vorher festgelegten Punkt auf dem
Rotorblatt die Einhaltung der Messung in einer Schnittebene für
alle zu messenden Rotorblätter wichtig ist.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende, sehr einfache Messprinzip wird deutlich
aus der schematischen Darstellung in 3. In 3 ist
in Relation zu einem Turm 2 einer Windkraftanlage schematisch das
Vorbeistreichen eines Rotorblattes 3a, 3b und 3c in
drei verschiedenen Drehpositionen um die jeweilige Längsachse 7,
also in drei verschiedenen Pitch-Winkel-Einstellungen gezeigt. Das
Rotorblatt 3a weist hierbei gegenüber einer Referenzebene 14, die
idealisiert parallel zu der Rotorebene liegt, die steilste Anstellung
auf, das Rotorblatt 3c die flachste Anstellung. Deutlich
erkennbar sind die Abstände zwischen der Referenzebene 14 und
der Hinterkante 5 des jeweils unterschiedlich angestellten
Rotorblattes 3a, 3b, 3c, also die Abstände 11, 12, 13 unterschiedlich
und mithin ein Maß für den jeweiligen Pitch-Winkel,
ohne diesen exakt nach der Gradzahl anzugeben. Bei einer wie hier
dargestellten unterschiedlichen Einstellung von drei Rotorblättern
hinsichtlich Ihres Pitch-Winkels können solche Abweichungen
jedoch mit einer einfachen Messung des Abstandes, z. B. zur Hinterkante 5 des
jeweiligen Rotorblattes, durch unterschiedliche Abstände 11, 12, 13 erfasst
und die jeweiligen Pitch-Winkel der Rotorblätter nachgestellt
werden, bis diese Abstände 11, 12, 13 übereinstimmen
bzw. innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen.
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In 4 schließlich
ist dieses Messprinzip noch einmal schematisch dargestellt. Bei
einer Windkraftanlage 1 mit Turm 2 und auf dem
Turm 2 befindlicher Gondel 15, an der der Rotor
mit den Rotorblättern an einer Nabe festgelegt ist, die
um die Nabenachse 17 rotiert. Die im unterschiedlichen Abstand
zu der Referenzebene 14 eingezeichneten Geraden bezeichnen
hier Ebenen, innerhalb derer ein angepeilter Punkt der Hinterkante
eines Rotorblattes bei rotierendem Rotor umläuft, es finden
sich hier wieder die unterschiedlichen Abstände 11, 12 und 13 zwischen der
Referenzebene 14 und der Hinterkante des jeweils mit unterschiedlichem
Pitch-Winkel eingestellte Rotorblattes. Erfasst werden diese Abstände
hier von einem nicht näher dargestellten berührungslosen Entfernungsmesser,
insbesondere einem Laserentfernungssensor, der in diesem Ausführungsbeispiel auf
der Gondel 15 angeordnet ist und mit einem Messstrahl 16 den
jeweiligen Punkt auf der Hinterkante des Rotorblattes anpeilt.
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Aufgrund
der schematischen Darstellung in 4 trifft
der Messstrahl 16 bei unterschiedlich eingestellten Pitch-Winkeln
auf in Längsrichtung stark verschobene Messpunkte der jeweiligen
Rotorblätter. Aufgrund der realen Verhältnisse
und der dort vorliegenden Dimensionierung ist die Abweichung in
dem jeweiligen Messpunkt aufgrund des schrägen Verlaufs
des Messstrahls 16 jedoch gering und in der Praxis zu vernachlässigen.
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Es
dürfte sicherlich klar sein, dass für eine geeignete
Erfassung der Pitch-Winkel-Stellung während der Messdauer,
die zumindest einen Blattdurchgang des zu vermessenden Rotorblattes
umfasst, dieses Rotorblatt in seinem Pitch-Winkel nicht verstellt
werden darf, um die Messung nicht zu verfälschen.
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Da
die Messpunkte der vorbeistreichenden Rotorblätter jeweils
auf einer Kreisbahn um die Rotordrehachse liegen, kann der Distanzsensor
fest montiert sein. Die Distanzmessungen erfolgen somit in Relation
zu einer Bezugsebene 14, die parallel zu der Kreisbahn
verläuft, die wiederum innerhalb der Rotorebene liegt bzw.
parallel zu dieser. Mit einer einfa chen Winkelvermessung kann somit
der Abstand eines Hinterkantenpunktes eines Rotorblattes von der
Rotorachse, die als steif angesehen wird, ermittelt werden. Mit
dieser Ein-Punkt-Messung an allen Rotorblättern erhält
man eine sehr genaue Aussage über den Spurlauf des Rotors.
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Es
dürfte klar sein, dass es für die Ausführung
der Erfindung nicht zwingend erforderlich ist, den Sensor auf der
Gondel 15 der Windkraftanlage zu positionieren. Der Sensor
kann ebenso gut am Turm positioniert sein, wobei dann allerdings
zusätzlich die Drehung der Gondel 15 relativ zum
Turm 2 der Windkraftanlage berücksichtigt bzw.
diese Position während eines Messdurchlaufes fix gehalten
werden muss. Gleiches gilt, falls der Sensor getrennt und losgelöst
von der Windkraftanlage in einem anderen stationären Ort
aufgestellt ist.
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Turm
- 3,
3a–c
- Rotorblatt
- 4
- Vorderkante
- 5
- Hinterkante
- 6
- Anschlussflansch
- 7
- Längsachse
- 8
- Schnittebene
- 9
- Schnittebene
- 10
- Schnittebene
- 11
- Abstand
- 12
- Abstand
- 13
- Abstand
- 14
- Referenzebene
- 15
- Gondel
- 16
- Messstrahl
- 17
- Nabenachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19731918
A1 [0006]
- - DE 19628073 C1 [0007]
- - DE 10032314 C1 [0008, 0013]