-
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.
-
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.
-
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 Anlage. 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.
-
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.
-
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.
-
In der
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.
-
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.
-
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.
-
Aus der
DE 16 23 653 A ist ein Verfahren bekannt, mit dem bei Helikoptern mittels Laserlicht und seiner Reflektion die Auslenkung der Rotorblätter festgestellt, insbesondere gemessen wird, ob diese insgesamt in einer Ebene drehen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 5 angegeben. In Anspruch 6 ist schließlich eine erfindungsgemäße Lösung für ein Verfahren zum Justieren des Spurlaufes eines Rotors einer Windkraftanlage angegeben, Anspruch 7 enthält hierzu eine vorteilhafte Gestaltungsvariante.
-
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: Bereits die Entfernung eines einzigen Punktes auf der Rotorblattoberfläche zu einem außerhalb des Rotors gelegenen Fixpunkt, insbesondere zum Turm oder zur Gondel der Windkraftanlage, gibt 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. Daher werden für die Messung ein solcher auf allen Rotorblättern gleich gewählter Messpunkt ausgewählt, der nahe der Hinterkante des Rotorblattes liegen, da solche Punkte in der Regel in einem Querschnitt den von der Drehachse am weitesten entfernten Punkt des Rotorblattes enthalten.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 lassen. 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.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht nur möglich, den Spurlauf eines Rotors zu vermessen, dieser kann darüber hinaus auch angepasst und eingestellt werden.
-
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 Rotorblätter festgelegt wird. Bei der Mittelwertbildung kann insbesondere eine arithmetische Mittelung Verwendung finden.
-
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.
-
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.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
-
1 in schematischer, dreidimensional angedeuteter Darstellung ein typisches Rotorblatt einer Windkraftanlage mit drei verschiedenen Schnittebenen;
-
2 in schematischer Anordnung hintereinander die drei in 1 genommenen Schnittebenen des Rotorblattes zur Verdeutlichung der in Längsrichtung vorhandenen Verdrehung des Rotorblattprofils;
-
3 schematisch ein an dem Turm einer Windkraftanlage vorbei streichendes Rotorblatt in drei verschiedenen Pitch-Winkel-Einstellungen und die daraus resultierenden unterschiedlichen Abstände der Rotorblatt-Hinterkante in einer Schnittebene; sowie
-
4 in schematischer Darstellung den in 3 dargestellten und aufgezeigten Sachverhalt in einer seitlichen Ansicht einer Windkraftanlage.
-
In den Figuren ist in stark schematisierten Darstellungen das Prinzip der Erfindung in einer Ausführungsvariante aufgezeigt und wird nachstehend erläutert.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 einfachen 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.
-
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.
-
Bezugszeichenliste
-
- 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
