DE102008031484B4

DE102008031484B4 - Verfahren zur Ermittlung und Nachjustierung des relativen Flügeleinstellwinkels an Windenergieanlagen mit horizontalen Antriebsachsen

Info

Publication number: DE102008031484B4
Application number: DE102008031484A
Authority: DE
Inventors: Jens-Ahrend Sieger
Original assignee: ENERGY CONSULT PROJEKTGMBH; ENERGY-CONSULT PROJEKTGESELLSCHAFT MBH
Current assignee: ENERGY CONSULT PROJEKTGMBH; ENERGY-CONSULT PROJEKTGESELLSCHAFT MBH
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: DE102008031484A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung des relativen Flügeleinstellwinkels an Windenergieanlagen (1) mit horizontalen Antriebsachsen,
gekennzeichnet durch
a. Erzeugung mindestens eines auf die Längsachse (y) eines Rotorblattes (20) aufzunehmenden digitalen Fotos (2),
b. welches mittels einer Computersoftware mit virtuellen Schablonen (3; 4) überlagert und ausgewertet wird,
c. wobei eine erste virtuellen Schablone (3) Referenz- bzw. Bezugslinien für eine Rotordrehebene (x) und eine zweite virtuelle Schablone (4) Referenz- bzw. Bezugslinien für eine Profilsehne (s) enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Nachjustierung des relativen Flügeleinstellwinkels an Windenergieanlagen mit horizontalen Antriebsachsen.
Nach dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Methoden zur Maximierung bzw. Optimierung der Energieausbeute von Windenergieanlagen durch variable Einstellungen der Flügeleinstellwinkel vor sowie auch nach der Inbetriebnahme also während des Betriebs (Zustandsüberwachung) bekannt.
Bei Anlagen mit Flügel- bzw. Blattwinkelregelung misst ein elektronischer Regler ständig die Leistungsabgabe der Anlage. Wenn diese zu hoch ist, wird dem Blattverstellmechanismus ein Signal übersendet, damit dieser die Rotorblätter umgehend leicht aus dem Wind dreht (sog. Pitch-Regelung). Umgekehrt werden die Blätter in den Wind gedreht, wenn der Wind wieder nachlässt. Bei modernen Anlagen mit sog. aktiver Stallregelung – insbesondere bei Anlagen mit über einem Megawatt Leistung – werden die Blätter hingegen in die entgegengesetzte Richtung gedreht wie bei einer pitch-geregelten Anlage. Das bedeutet, dass der Mechanismus den Flügeleinstellwinkel erhöht, um einen stärkeren Strömungsabriss zu erzeugen und damit die überschüssige Energie im Wind abzuweisen.
Bei der Installation und Inbetriebnahme dieser Anlagen ist es jedoch wichtig, dass ein Ausgangsblatteinstellwinkel mit hinreichender Genauigkeit voreingestellt wird. Nach dem Stand der Technik werden zur Prüfung des tatsächlichen Blatteinstellwinkels Schablonen (Blattschablonen) in Form von rechteckigen Multiplex-Platten benutzt, die einen Ausschnitt in Form des Querschnittes der Flügelspitze aufweisen. Diese Schablonen werden mit Hilfe von Zug- und Führungsseilen über die Spitze des senkrecht nach unten zeigenden Flügels gezogen und gegen Abrutschen vertäut. Eine Möglichkeit der Bewertung des Flügeleinstellwinkels besteht darin, von oben aus dem Maschinenhaus heraus durch ein lotrecht ausgerichtetes Objektiv (Theodolit) die Schablone anzupeilen. Der Durchschauende hat zu beurteilen, ob die x-Achse des Fadenkreuzes eine Parallelität zur Längskante der Flügelschablone aufweist bzw. davon abweicht.
Diese Messmethode erweist sich jedoch als sehr umständlich und ist mit erheblichen Nachteilen verbunden. Die Schablone muss zunächst über die Flügelspitze gezogen und dabei von unten geführt werden. Mehrere lange und entsprechend schwere Seile sind erforderlich, da sich die Maschinengondel üblicherweise in Höhen zwischen 60 m und 105 m befindet. Die Arbeit ist zudem mühselig und zeitraubend. Der alternative Einsatz eines Kranes mit Mannkorb oder einer mobilen Arbeitsbühne ist durch hohe Anfahrtskosten relativ teuer. Die Schablone muss bei dieser Messmethode über die Flügelspitze gezogen werden, bis sie festklemmt. Durch Fertigungstoleranzen können Flügel unterschiedliche Dicken und leicht voneinander abweichende Formen aufweisen, wodurch die Schablone in unterschiedlichen Abständen zur Flügelspitze klemmen. Da Flügel für Windenergieanlagen üblicherweise verwunden sind (sog. Twist), kann die Ermittlung des Winkels unbemerkt fehlerhaft sein. Die Schablone wird wie eine Lehre verwendet, es erfolgt daher keine Ermittlung des tatsächlichen Winkelgrades. Ob Korrekturen erfolgen müssen, bleibt eine subjektive Beurteilung des Prüfenden.
Aus DE10032314C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Flügeleinstellwinkels einer Windenergieanlage bekannt, bei der der Abstand zwischen Rotorblatt und dem Turm mittels eines an der Windenergieanlage installierten Lasers ermittelt wird. Die ermittelten Daten werden in einem Rechner verarbeitet. Aus den gespeicherten Werten wird dann der Winkel zwischen Rotorblatt und der Abstands-Messeinrichtung bestimmt. Auch diese Messmethode ist vergleichsweise aufwendig und zudem kostenintensiv. Aus DE 10 2006 034 251 A1 ist darüber hinaus in allgemeiner Form entnehmbar, dass bei Windenergieanlagen Kameras zu Überwachungs- und Inspektionszwecken eingesetzt werden. Anhand der installierten Kamera lassen sich bspw. grobe Blattwinkelasymmetrien in der Nabe erkennen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch ein einfach anzuwendendes Verfahren direkt an der Windenergieanlage den relativen Flügeleinstellwinkel fehlerfrei zu bestimmen. Durch eine hohe Genauigkeit und Schnelligkeit soll eine anschließende unmittelbare Korrektur von Fehlwinkeln möglich sein.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass zunächst mindestens ein auf die Längsachse eines Rotorblattes aufzunehmendes digitales Foto erzeugt wird, welches dann mittels einer Computersoftware mit virtuellen Schablonen überlagert und ausgewertet wird, wobei eine erste virtuellen Schablone Referenz- bzw. Bezugslinien für eine Rotordrehebene und eine zweite virtuelle Schablone Referenz- bzw. Bezugslinien für eine Profilsehne enthält. Nur dann, wenn die Bezugslinien bekannt sind, kann eine Berechnung erfolgen. Hierzu können sowohl handelsübliche Programme als eigens zu diesem Zweck programmierte Anwendungen benutzt werden.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
In den Zeichnungen zeigen
1 eine Ansicht der relevanten Bauteile (Rotorblätter 20; 20a; 20b, Rotornabe 30; Maschinengondel 40; Turm 50) und Linien einer Windenergieanlage 1 aus einer zur Erzeugung des digitalen Fotos 2 bevorzugten Perspektive,
2 den Schattenriss der Maschinengondel 40 mit konusförmiger Rotornabe 30 mit Längsachse y und Rotordrehebene x ( = erste Schablone „Gondel” 3),
3 die Windenergieanlage 1 wie in 1 in vergrößerter Darstellung,
4 den Schattenriss eines Flügelprofils im Bereich einer Flügelwurzel mit Profilsehne s (= zweite Schablone „Flügel” 4).
Erfindungsgemäß wird zunächst von einem beliebigen Windenergieanlagen-Typ 1 aus der in 1 gezeigten Perspektive ein digitales Foto 2 mit hoher Auflösung aufgenommen. Aus diesem Foto 2 wird (z. B. mit Hilfe einer Bildbearbeitungssoftware) der Schattenriss der Maschinengondel 40 mit konusförmiger Rotornabe 30 herausgearbeitet. Danach erfolgt die Bestimmung einer Längsachse y, die mittig durch den Schattenriss von Maschinengondel 40 und Rotornabe 30 verläuft und letztlich in Windrichtung zeigt. Da die Rotordrehebenen bei Windenergieanlagen mit horizontaler Antriebsachse bauartbedingt im rechten Winkel zur Längsachse y der Maschinengondel 40 verlaufen, kann diese ebenfalls festgelegt werden.
Die beispielhafte Skizze in 2 veranschaulicht die beschriebene erste Schablone „Gondel” 3 mit den Bezeichnungen Längsachse y und Rotordrehebene x. Nachfolgend wird die Schablone „Gondel” derart bearbeitet, dass sie in Größe und Neigung um einen definierten Mittelpunkt verändert werden kann, um sie beim späteren Überlagern auszuwertender Fotos 2 einem Motiv anzupassen. Als Motiv wird vorliegend ein Bild im Hintergrund mit einem oder mehreren Motiven (bspw. ein hochauflösendes Foto einer Windenergieanlage, Kontur „Maschine” und Kontur „Flügel”) verstanden. Die erste Schablone 3 wird vorzugsweise als halbtransparentes Bild auf einem Datenträger zur weiteren Verwendung gespeichert.
In einem weiteren Schritt wird von der Windenergieanlage 1 der in 3 gezeigten Perspektive ein digitales Foto mit hoher Auflösung aufgenommen oder alternativ ein digital vergrößerter Ausschnitt des in 1 dargestellten Fotos verwendet. Aus diesem Bild wird der Schattenriss des Flügelprofils im Bereich der Flügelwurzel – wie die Skizze aus 4 veranschaulicht – herausgearbeitet. Anschließend erfolgt die Ermittlung der Skelettlinie und der Profilsehne s. Die Skelettlinie ist die gedachte Mittellinie eines Profils. Sie entsteht durch Verbinden der Mittelpunkte aller Kreise, die in das Profil gelegt werden können. Die Sehne s eines Profils ist die Verbindung des vorderen Schnittpunktes, Skelettlinie-Profilumriss, mit dem hinteren Schnittpunkt. Auch diese zweite Schablone 4 wird derart bearbeitet, dass sie in Größe und Neigung um einen definierten Mittelpunkt veränderbar ist und als halbtransparentes Bild gespeichert.
Erfindungsgemäß wird nun zur Winkelermittlung ein Digitalfoto 2 des zu bewertenden Flügels 20 analog der Abbildung in 3 angefertigt und als Bilddatei zur Bearbeitung in eine Bildbearbeitungssoftware geladen. Nun werden die zuvor beschriebenen halbtransparenten Schablonen („Gondel” und „Flügel”) 3 und 4 nacheinander über das Motiv geladen und in Lage, Größe und Neigung angepasst.
Es erfolgt nun eine Winkelberechnung zwischen Rotordrehebene x der ersten Schablone „Gondel” 3 und Flügelsehne s der zweiten Schablone „Flügel” 4 mit Hilfe einer Software (z. B. Auto-CAD). Die so ermittelten Winkel an den drei Rotorblättern 20; 20a; 20b eines Rotors können nun miteinander verglichen werden, woraus sich bei Abweichungen Empfehlungen zur Nachjustierung ergeben werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt zum einen in der einfachen Handhabbarkeit, das insbesondere durch die sorgfältig vorzubereitenden Schablonen 3 und 4 eine sehr hohe Genauigkeit zulässt. Es ist weder ein hoher zeitlicher Aufwand zur Winkelermittlung notwendig, noch werden außergewöhnliche Spezialwerkzeuge verwendet. Die genannten Ausrüstungsgegenstände wie Digitalkamera und tragbarer Computer (Laptop oder Notebook) sind als handelsüblich zu bezeichnen. Ein nachvollziehbares Verfahren zur Bestimmung der Flügelwinkel ist Voraussetzung für den Ausgleich der Differenzwinkel durch Nachjustierung der Grundeinstellung. Dadurch wird dem schädlichen Einfluss vor aerodynamischen Unwuchten vorgebeugt, der in verminderter Leistungsfähigkeit bei der Energieumwandlung und in vorzeitigen Ausfall schwingungsbelasteter Bauteile resultiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich in seiner Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr sind eine Vielzahl von Ausgestaltungsvariationen denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.

x: Rotordrehebene
y: Längsachse
s: Profilsehne
1: Windenergieanlage
2: digitales Foto/Bild
3: Schablone „Gondel”
4: Schablone „Flügel”
20; 20a; 20b: Rotorblätter/Rotoren/Flügel
30: Rotornabe
40: Maschinengondel
50: Turm

Claims

Verfahren zur Ermittlung des relativen Flügeleinstellwinkels an Windenergieanlagen (1) mit horizontalen Antriebsachsen, gekennzeichnet durch a. Erzeugung mindestens eines auf die Längsachse (y) eines Rotorblattes (20) aufzunehmenden digitalen Fotos (2), b. welches mittels einer Computersoftware mit virtuellen Schablonen (3; 4) überlagert und ausgewertet wird, c. wobei eine erste virtuellen Schablone (3) Referenz- bzw. Bezugslinien für eine Rotordrehebene (x) und eine zweite virtuelle Schablone (4) Referenz- bzw. Bezugslinien für eine Profilsehne (s) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Foto (2) mit Hilfe einer Bildbearbeitungssoftware ein Schattenriss einer Maschinengondel (40) mit konusförmiger Rotornabe (30) herausgearbeitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Längsachse (y) erfolgt, die mittig durch den Schattenriss von Maschinengondel (40) und Rotornabe (30) verläuft und letztlich in Windrichtung zeigt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schablone (3) derart bearbeitet wird, dass sie in Größe und Neigung um einen definierten Mittelpunkt verändert werden kann, um sie beim späteren Überlagern auszuwertender Fotos (2) einem Motiv anzupassen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Foto (2) ein Schattenriss eines Flügelprofils im Bereich einer Flügelwurzel herausgearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend eine Ermittlung einer Skelettlinie und der Profilsehne (s) erfolgt, wobei die Skelettlinie eine gedachte Mittellinie eines Profils ist und durch Verbinden der Mittelpunkte aller Kreise, die in das Profil gelegt werden können, entsteht.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schablone (4) derart bearbeitet wird, dass sie in Größe und Neigung um einen definierten Mittelpunkt veränderbar ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schablonen (3; 4) als halbtransparente Bilder gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Winkelermittlung die halbtransparenten Schablonen (3; 4) nacheinander über ein Digitalfoto (2) geladen und in Lage, Größe und Neigung angepasst werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelberechnung zwischen Rotordrehebene (x) der ersten Schablone (3) und Flügelsehne (s) der zweiten Schablone (4) mit Hilfe einer Software erfolgt.
Verfahren zur Nachjustierung von Flügeleinstellwinkeln an Windenergieanlagen (1) mit horizontalen Antriebsachsen, wobei mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche relative Flügeleinstellwinkel ermittelt werden, die zur Auffindung von Korrekturwerten verwendet werden, und die aufgefundenen Korrekturwerte dazu verwendet werden, eine Justierung der Flügel vorzunehmen.