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Die
Erfindung betrifft einen Hilfsgenerator für eine Windenergieanlage nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner eine Sensoreinheit
für eine
Windenergieanlage und schließlich
eine Windenergieanlage mit einem solchen Hilfsgenerator bzw. einer
solchen Sensoreinheit.
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Bei
modernen Windenergieanlagen sind neben dem eigentlich für die Energieumsetzung
vorgesehenen Antriebsstrang und dem Generator vermehrt elektrische
Verbraucher angeordnet für
die Steuerung und/oder Überwachung
der Anlage, auch zum Aufrechterhalten einer Notfunktion.
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So
besteht die derzeit übliche
Bauform von großen
Windenergieanlagen in so genannten Pitch-Anlagen, bei denen die
einzelnen Rotorblätter drehbar
an der Nabe angebracht sind. Insbesondere bei dieser Bauform, aber
auch bei anders ausgelegten Windenergieanlagen nimmt mit zunehmender Anlagengröße regelmäßig die
gewünschte
Informationstiefe über
das Betriebsverhalten zu. So wird auch der Rotor einer Windenergieanlage
zunehmend mit Sensoren ausgestattet, die Material spannungen, Verformungen
oder den Körperschall
erfassen. Hierzu werden die Sensoren oft auch in den Rotorblättern verbaut.
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Da
sich zum einen der gesamte Rotor dreht und zum anderen bei den Pitch-Anlagen
auch noch die einzelnen Blätter
drehbar gelagert sind, stellt die Energieversorgung und die Datenübertragung
der in Blättern
verbauten Sensoren einen konstruktiven Aufwand dar. Üblicherweise
werden rotierende oder drehende Übergänge mit
Schleifringen oder in entsprechend ausgeformten Kabelschlaufen ausgeführt. Sowohl
Schleifringe als auch Kabelschlaufen weisen nur eine begrenzte Lebensdauer
auf, da die vielen Betriebsstunden und die hohe Anzahl der Lastwechsel
zu einem frühen
Verschleiß führen. Nicht
selten scheitert die Umsetzung einer Blattvermessung an dem hohen
konstruktiven Aufwand, der hinsichtlich der Verkabelung der Sensoren
in der Nabe oder in einem Blatt des Rotors betrieben werden muss.
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Es
ist insoweit Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit für eine autarke Versorgung von
im Bereich der Rotornabe und/oder eines Rotorblattes angeordneten
elektrischen Verbrauchern zu schaffen, die eine aufwendige Verkabelung
zum Anschließen an
das Versorgungssystem der Windenergieanlage überflüssige werden lässt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch einen Hilfsgenerator für eine Windenergieanlage mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Ein weiterer erfindungsgemäßer Lösungsaspekt
liegt in einer Sensoranordnung, wie sie in Anspruch 8 definiert
ist. Schließlich umfasst
die Erfindung auch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen eines
der Ansprüche
11 oder 12.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Hilfsgenerators sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
7, solche der Sensoranordnung in den abhängigen Ansprüchen 9 und
10 charakterisiert.
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Das
Grundprinzip der Erfindung besteht in der Idee, eine Energieerzeugung
unmittelbar am Ort bzw. im Bereich des Verbrauchers, z. B. eines
Sensors innerhalb des zu vermessenden Bauteils, vorzunehmen. Für diese
Zwecke kommt ein Hilfsgenerator zum Einsatz, der in bekannter Weise
aus der Änderung
des Verhältnisses
zwischen der von einer durch einen Felderzeuger erzeugten magnetischen
Feldstärke
durchdrungenen Querschnittsfläche
einer Generatorspule und der Feldstärke am Ort dieser Querschnittsfläche eine
an der Generatorspule abgreifbare Induktionsspannung erzeugt. Hierzu
wird erfindungsgemäß die relative
Bewegung des Felderzeugers, der ein Permanentmagnet aber auch eine
mit der Generatorspule in geeigneter und an sich bekannter Weise
verschaltete Feldspule sein kann, zu der Generatorspule genutzt,
wobei die kontinuierliche Relativbewegung aus der Wechselwirkung
zwischen auf dem Felderzeuger wirkender Schwerkraft und Rotorposition
durch den drehenden Rotor erzeugt wird.
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Ein
solcher Generator, der allein aufgrund der Rotationsbewegung des
Rotors der Windenergieanlage im Wechselspiel mit der Schwerkraft
angetrieben wird, kann abhängig
vom Energiebedarf des Verbrauchers, der üblicherweise (z. B. bei Sensoren) geringerer
Natur ist, vergleichweise klein dimensioniert werden. So passt er,
ggf. passen sogar mehrere solche Generatoren, problemlos in das
Rotorblatt oder die Nabe der Windenergieanlage und kann dort eine
vollständig
unabhängige
Versorgung des Verbrauchers sicherstellen. So entfallen nicht nur
die fehleranfälligen,
ansonsten erforderlichen Verkabelungen, insbesondere ist die so
verwirklichte Energieversorgung unabhängig von einem Versorgungsnetz, an
dem die Windenergieanlage angeschlossen ist. Grundsätzlich kann
der Hilfsgenerator dabei so ausgelegt sein, dass er auch noch im
Trudel- oder Pendelbetrieb einer aus dem Wind gedrehten bzw. „angehaltenen” Windenergieanlage
Versorgungsspannung liefert und generiert, so dass auch in diesem Zustand
der Windenergieanlage die elektrische Versorgung der Verbraucher
sichergestellt ist, sogar bei einem Netzausfall.
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In
einer möglichen
Ausgestaltungsvariante kann der Hilfsgenerator als Lineargenerator
ausgebildet sein. Ein Lineargenerator umfasst dabei eine entlang
einer Längsachse
gerade erstreckte Generatorspule und einen sich im Bereich dieser
Generatorspule, vorzugsweise in deren Inneren, bewegenden Felderzeuger.
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Alternativ
kommt als Generator aber auch ein Generator mit einer in einer Querschnittsebene im
Wesentlichen kreisförmig
verlaufenden, geschlossenen Spule in Frage, in deren Inneren ein
Felderzeuger, der lediglich kreisabschnittförmig ist, sich aufgrund der
auf ihn wirkenden Schwerkraft bewegt. Hierbei kann die Generatorspule
torusförmig
sein, sie kann aber auch anstelle eines kreisförmigen Windungsquerschnittes
einen rechteckigen oder anders geformten Windungsquerschnitt aufweisen,
solange die Spule an sich eine im Wesentlichen geschlossene Kreisform
hat.
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Als
Felderzeuger kommt grundsätzlich
ein Permanentmagnet in Frage. Der Felderzeuger kann aber auch gebildet
sein durch eine Erzeugerspule, die mit der Generatorspule entsprechend
den bekannten Verschaltungen verschaltet ist, um bei einer Relativbewegung
aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Spulen und den induzierten
Spannungen bzw. Stromflüssen
ein Erregerfeld zu erzeugen. Um einerseits das Erregerfeld zu verstärken, andererseits
der Erzeugerspule die für
eine Bewegung aufgrund der Schwerkraft erforderliche, ausreichende Masse
zu geben, kann diese Erzeugerspule einen magnetisierbaren Metallkern
aufweisen.
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Bevorzugt
ist in dem Hilfsgenerator der Felderzeuger derart angeordnet, dass
seine Wirk- oder Bewegungsrichtung im Wesentlichen parallel zu der
Rotationsrichtung des Rotors bzw. tangential dazu verläuft. Dadurch
werden die ansonsten auf dem Felderzeuger aufgrund der Drehung des
Rotors wirkenden Exorbitalkräfte
weitgehend abgefangen bzw. für
einen weiteren Antrieb relativ zu der Generatorspule genutzt. Dies
hilft insbesondere, einen ansonsten zu befürchtenden Verschleiß deutlich
zu reduzieren.
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Ein
weiterer Aspekt besteht, wie eingangs bereits erwähnt, in
einer Sensoreinheit für
die Aufnahme von Daten in einer Windenergieanlage mit wenigstens
einem Sensor und einem für
die Versorgung des Sensors verschalteten Hilfsgenerator gemäß obenstehender
Beschreibung. Diese Einheit kann dabei einen relativ fein mechanisch
ausgebildeten Hilfsgenerator enthalten, insbesondere wenn die für den Sensor
und ggf. weitere angeschlossene Verbraucher zu erzeugende Versorgungsenergie
nicht allzu groß und
somit die Leistungsanforderungen an den Hilfsgenerator nicht allzu
hoch sind. Werden die Leistungsanforderungen hingegen höher, so
kann der Hilfsgenerator auch als größeres, gröber mechanisches Teil realisiert
sein. Er bildet dann in einer wie beschriebene Sensoreinheit eine
klar eigenständige Komponente
ohne unmittelbare Integration in eine einheitliche Baugruppe.
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Um
eine lückenlose
Versorgung der Verbraucher in der Sensoreinheit sicherzustellen,
kann diese mit Vorteil einen Energiespeicher zum Speichern der von
dem Hilfsgenerator erzeugten Versorgungsenergie aufweisen. Dieser
wird typischerweise durch einen Akkumulator gebildet, kann grundsätzlich aber jede
Form eines Energiespeichers annehmen, die praktikabel ist, z. B.
Speicherung mechanischer Energie oder chemischer Energie.
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Die
erfindungsgemäße Sensoreinheit
kann schließlich
eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung umfassen, die ebenfalls
von dem Hilfsgenerator versorgt wird. Diese Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
kann Signale des Sensors (vor-)verarbeiten, Messwerte abfragen und
für eine Übermittlung
verarbeiten und dgl. an sich bekannte Aufgaben übernehmen.
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Schließlich ist
es von Vorteil, wenn die Sensoreinheit auch noch eine Übertragungseinrichtung zum
drahtlosen Datenübertragen
aufweist, die vorteilhafter Weise ebenfalls von dem Hilfsgenerator
mit Energie versorgt wird. Die drahtlose Datenübertragung, die in einer einfachsten
Variante nur unidirektional von der Sensoreinheit hin zu einem Empfänger für eine Weiterleitung
an die Anlagensteuerung eingerichtet, für die Wahrnehmung komplexerer
Aufgaben aber auch bidirektional zum Senden und Empfangen von Daten
ausgestattet sein kann, erspart ebenfalls eine kabelmäßige Anbindung
der aufgrund der zu überbrückenden
gegeneinander rotierenden Teile nur schwer zu erreichenden Sensoreinheit.
Dies macht die erfindungsgemäße Sensoreinheit
nicht nur kostengünstiger,
sondern insbesondere aufgrund der ansonsten stets zu befürchtenden
Probleme aufgrund von beispielsweise Kabelbruch zuverlässiger.
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Weiterer
Bestandteil der Erfindung ist eine Windenergieanlage an sich mit
einem erfindungsgemäßen Hilfsgenerator
und/oder einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit.
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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 schematisch
einen einfachen Aufbau einer Sensoranordnung mit einem erfindungsgemäßen Hilfsgenerator
in Form eines Lineargenerators;
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2 einen
alternativ zu verwendenden erfindungsgemäßen Hilfsgenerator mit einer
torusförmig
gewickelten Generatorspule und einem halbringförmigen, in der Spule beweglich
angeordneten Permanentmagneten als Felderzeuger;
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3 eine
Anordnung wie 1 mit einer zusätzlichen
schematischen Darstellung einer Funkübertragungsstrecke; und
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4 schematisch
eine Windenergieanlage mit darin angeordneten, mit erfindungsgemäßen Hilfsgeneratoren
ausgerüsteten,
erfindungsgemäßen Sensoreinheiten.
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Die
Figuren sind rein schematisch und insbesondere nicht maßstabsgerecht.
Sie dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung anhand
möglicher
Ausführungsbeispiele
im Zusammenhang mit den nachstehenden Beschreibungen.
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In 1 ist
eine Sensoreinheit 10 dargestellt, die einen erfindungsgemäßen Hilfsgenerator 1 enthält. Dieser
weist hier die Form eines Lineargenerators auf mit einer entlang
einer Geraden verlaufenden Achse sich erstreckenden Generatorspule 2 und einem
stabförmigen,
innerhalb der Generatorspule 2 angeordneten und entlang
deren Längsachse
bewegbaren Felderzeuger in Form eines Permanentmagneten 3.
Die beiden Polenden 4 und 5 der Generatorspule 2 sind
angeschlossen an einen Energiespeicher 6, der hier zusätzlich einen
Leistungsregler als elektronisches Bauelement bzw. als elektronische Schaltung
enthält.
An diesen Energiespeicher sind zur Versorgung über den Leistungsregler ein
Sensor 7 sowie ein Sender 8 angeschlossen. Über entsprechende
Leitungen erhal ten der Sensor 7 und der Sender 8 ihre
elektrische Versorgung aus dem Energiespeicher 6 und insoweit
von dem Hilfsgenerator 1. Der Sensor 7, der z.
B. ein optischer Abstandssensor, ein Körperschallsensor oder dgl.
sein kann, ist mittels einer Datenleitung 9 mit dem Sender 8 verbunden.
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Die
hier dargestellte Sensoreinheit 10 kann in einer Windenergieanlage
im Bereich des Rotors (in der Nabe und/oder in einem Rotorblatt)
angeordnet werden. Dabei wird die Generatorspule 2 in einer
entsprechenden Aufhängung,
einem Gehäuse
oder dgl., fest mit dem Rotor (dem Rotorblatt, der Nabe) verbunden,
der Permanentmagnet 3 kann sich frei innerhalb der Generatorspule 2 hin
und her bewegen, wie dies durch den Pfeil P angedeutet ist. In Endpositionen
sind jeweils Anschläge
vorgesehen, damit der Permanentmagnet 3 nicht aus dem Bereich
der Generatorspule 2 heraus fällt, sondern in Endpositionen gebremst
und angehalten wird.
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Bei
einer Rotation des Rotors und der damit einhergehenden kreisenden
Bewegung der Generatorspule 2 wird sich der Permanentmagnet 1 aufgrund
der Schwerkrafteinwirkung in der Generatorspule 2 „fallend” hin und
herbewegen und so durch Induktion in dem Generator, genauer in der
Generatorspule 2 eine Induktionsspannung erzeugen. Diese Induktionsspannung
dient dann nach Zwischenspeicherung in dem Energiespeicher 6 der
Versorgung der Verbraucher Sensor 7 und Sender 8.
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In 2 ist
ein alternativ aufgebauter Hilfsgenerator 1' dargestellt, der ebenso wie der
Hilfsgenerator 1 durch die Wirkung der Schwerkraft betrieben
wird. Bei dem Hilfsgenerator 1' ist die Generatorspule 2' zu einem geschlossenen
Torus geformt, in dessen Innerem der Felderzeuger in Form eines
Permanentmagneten 3' angeordnet
ist. Der Permanentmagnet 3' ist
hier in Draufsicht halbkreisförmig
gebogen, nimmt entsprechend die Form eines halben Torus ein und
kann sich frei im Inneren der Generatorspule 2' bewegen. Hierfür verläuft im Inneren
der Generatorspule 2' z.
B. eine entsprechende Kunststoffröhre oder dgl.
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Die
Generatorspule 2' ist
auch bei dem Hilfsgenerator 1' fest mit dem Rotor der Windkraftanlage verbunden,
dreht sich also mit diesem mit. Durch die Schwerkraft, deren Wirkung
hier durch einen Pfeil S angedeutet ist, wird der Permanentmagnet 3' „festgehalten”, so dass
sich die Generatorspule 2' über diesen
hinweg bewegt bzw. sich der Permanentmagnet 3' relativ zu
der Generatorspule 2' im
Inneren derselben bewegt. Durch diese Bewegung ergibt sich eine lokale Änderung
der magnetischen Flussdichte und somit eine Induktionsspannung,
die an den Polenden 4', 5' abfällt. Die
geschilderte Relativbewegung zwischen der Generatorspule 2' und dem Permanentmagneten 3' ist durch einen
Pfeil R in der Figur angedeutet.
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Dieser
ebenfalls erfindungsgemäße Hilfsgenerator 1' kann zur Bildung
einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit
in einer wie in 1 gezeigten Weise verschaltet
sein mit einem Energiespeicher, einem Sensor, einem Sender und dgl.
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In 3 ist
eine Sensoreinheit 10, wie in 1 dargestellt,
gezeigt mit einer Funkstrecke 11, über die der Sender 8 drahtlos
Daten an einen Empfänger 11 überträgt. Der
Empfänger 11 ist
dabei typischerweise außerhalb
des Rotors der Windenergieanlage angeordnet und mit einer Steuerung
bzw. einer Auswerteeinrichtung verbunden.
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In 4 ist
schließlich
schematisch eine Windenergieanlage 12 skizziert mit zwei
darin angeordneten erfindungsgemäßen Sensoreinheiten 10. Die
Windenergieanlage 12 hat in üblicher Weise einen Turm 13,
an dessen oberem Ende eine relativ zu dem Turm verdreh- und/oder
verschwenkbare Gondel 14 (auch als Maschinenhaus bezeichnet)
angeordnet ist. An der Gondel 14 drehbar angelagert ist der
Rotor 15 mit der Nabe 16 und den an letztgenannter
angelagerten Rotorblättern 17,
hier zwei solcher Rotorblätter 17.
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Schematisch
ist hier gezeigt, wie die Sensoreinheiten 10, die auch
in diesem Beispiel Lineargeneratoren als Hilfsgeneratoren aufweisen
in den Rotorblättern 17 angeordnet
sind. Die Sensoreinheiten 10 enthalten hier Sensoren zur
optischen Vermessung einer Auslenkung des jeweiligen Rotorblattes 17,
wobei in der oben geschilderten Weise die Energieversorgung des
Sensors und weiterer in der Sensoreinheit angeordneter Komponenten
allein durch den Hilfsgenerator bereitgestellt wird. Gut zu erkennen
ist hier, dass bei einer Drehung des Rotors 15 die Permanentmagneten
der Hilfsgeneratoren aufgrund der Schwerkraft innerhalb der Generatorspulen
hin und herbewegt werden, bei jeder Drehung des Rotors einmal hin
und einmal wieder zurück.
Durch diese Hin- und Herbewegung wird in den Hilfsgeneratoren eine
Spannung induziert, die für
die Versorgung der jeweils angeschlossenen Verbraucher genutzt wird.
Angedeutet ist hier auch, dass ein Empfänger 11 zum Empfang
der über
die Funkstrecken F von den Sendern der jeweiligen Sensoreinheiten
gesendeten Daten in der Gondel 14 angeordnet ist und insoweit
entkoppelt von der Drehbewegung des Rotors 15. Schließlich ist
in dieser Darstellung auch gut zu erkennen, dass die Hilfsgeneratoren
in Form der Lineargeneratoren in den Rotorblättern 17 so angeordnet
sind bzw. deren Generatorspulen so relativ zu den Rotorblättern 17 festgelegt
sind, dass die Permanentmagnete mit ihrer Längsrichtung tangential zu dem
während
der Rotation beschriebenen Kreis ausgerichtet sind. Auch wenn grundsätzlich eine
andere Art der Ausrichtung, z. B. mit den Längsachsen der geraden Permanentmagnete
parallel zur Längsachse
der Rotorblätter
möglich
ist, wird diese hier gezeigte Ausrichtung bevorzugt, da so ansonsten
auftretende Exorbitalkräfte
vermieden bzw. deutlich reduziert werden können.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung ist noch einmal deutlich geworden,
welchen Vorteil die erfindungsgemäße Lösung mit sich bringt. So können elektrische
Verbraucher im Bereich des Rotors, hierbei nicht nur Sensoren, sondern
auch andere Verbraucher, z. B. Steuereinheiten, Heizelemente oder dgl.,
autark versorgt werden, ohne dass Stromzuführungen per Kabel durch die
Drehdurchführungen
zwischen Gondel und Rotornabe und zwischen Rotornabe und Rotorblatt
(bei Pitch-Anlagen) gelegt werden müssen. Zudem sind die so geschaffenen
Einheiten, z. B. die erfindungsgemäßen Sensoreinheiten 10, unabhängig von
einer Netzversorgung der Anlage und können bei entsprechender Auslegung
auch bei Netzausfall zumindest über
einen Überbrückungszeitraum
weiter betrieben werden.
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- 1,
1'
- Hilfsgenerator
- 2,
2'
- Generatorspule
- 3,
3'
- Permanentmagnet
- 4,
4'
- Polende
- 5,
5'
- Polende
- 6
- Energiespeicher
- 7
- Sensor
- 8
- Sender
- 9
- Datenleitung
- 10
- Sensoreinheit
- 11
- Empfänger
- 12
- Windenergieanlage
- 13
- Turm
- 14
- Gondel
- 15
- Rotor
- 16
- Nabe
- 17
- Rotorblatt
- F
- Funkstrecke
- P
- Pfeil
- R
- Pfeil
- S
- Schwerkraft