DE102011011392A1

DE102011011392A1 - Optische Messeinrichtung für die Verformung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011011392A1
Application number: DE102011011392A
Authority: DE
Inventors: Jens Van Schelve; Jens Spielmann
Original assignee: SSB Wind Systems GmbH and Co KG
Current assignee: SSB Wind Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2031-02-18
Also published as: WO2012110188A1; DE102011011392B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Messung von Verformungen eines Rotorblattes (9, 10, 18) einer Windkraftanlage (1), welches mit seiner Blattwurzel (23) an einer Rotornabe (8) eines Rotors (6) befestigt ist, mit wenigstens eine im Rotor (6) befestigte Kamera (29), wobei die Kamerdestens eine im Abstand zur Blattwurzel (23) vom Blickfeld der Kamera (29) erfassten Referenzposition einer optisch erfassbaren Verformungsmarkierung (33, 34) gerichtet ist und diese auf dem Sensor abbildet, eine mit der Kamera (29) gekoppelte Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung (38), mittels welcher die Bilddaten (43) der Kamera (29) zugeführt werden und Abweichungen von der Referenzposition in eine abweichende Position durch die Verformungen ermittelt und quantifiziert werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzposition mindestens eine weitere Markierung (26) von der Kamera (29) optisch erfassbar ist bzw. erfasst wird, wobei diese Referenzmarkierung (26) von mindestens einer Lichtquelle (24) erzeugbar ist bzw. erzeugt wird und diese relativ zur Blattwurzel (23) fixierbar bzw. fixiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Messung von Verformungen eines Rotorblattes einer Windkraftanlage entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage mit der genanten Einrichtung sowie ein Verfahren zur optischen Messung der Verformung mindestens eines Rotorblattes der Windkraftanlage.
Durch die Zunahme der Länge und Flexibilität von Rotorblättern in Windkraftanlagen arbeitet deren Steuerung vermehrt darauf hin, während des Betriebes auftretenden Belastungen und Schwingungen der Anlage zu reduzieren. Belastungen oder Verformungen der Rotorblätter werden vornehmlich durch aerodynamische Kräfte hervorgerufen. Ein direktes Messen der aerodynamischen Belastzungen ist aber nicht möglich. Da die Blattbiegung und deren Torsion und die Blattbelastung in einer engen Beziehung zueinander stehen, bilden Informationen über diese unerwünschten Verformungen eine gute Eingangsinformation, ob diese Verformungen z. B auf eine Fehlausrichtung der Rotorachse zu der Windrichtung oder auf vertikale oder horizontale Windscherungen zurückzuführen sind. Darüber hinaus können diese Informationen einer Steuereinrichtung der Windkraftanlage zugeführt werden und als eine Stellgröße für die Veränderung des Anstellwinkels des Rotorblattes (Pitschsteuerung) oder des Auftriebes des Blattes (Stallsteuerung) verwenden werden.
Aus dem Stand der Technik sind optische Einrichtungen zur Messung der Verformung des Rotorblattes bekannt. Sie beruhen meist darauf, dass in der Nähe der Blattwurzel eine Kamera mit Infrarot- oder einer anderen geeigneten Lichtquelle angeordnet ist und im Längsbereich des Blattes Reflektoren oder Markierungen vorgesehen sind. Die mittels der Lichtquelle beleuchteten Reflektoren oder Markierungen reflektieren die Infrarotstrahlung zurück zur Kamera, so dass die Blattverformung durch Auswertung des von der Kamera aufgenommen Bilds ermittelt und über eine Auswerteinheit quantifizierbar ist. Die Kamera bestimmt die Verformung der Reflektoren an Hand der Position bzw. Verdrehung der Reflektoren in einem von der Kamera aufgenommenen Bildausschnitt.
DE 10 2009 007 938 A1 zeigt eine Einrichtung zur Messung von Verformungen von elastisch verformbaren Objekten, verursacht durch aerodynamische Belastungen, wobei es sich insbesondere um Verformungen von Rotorblättern von Windkraftanlagen handelt. Die Einrichtung umfasst zumindest eine optisch erfassbare Markierung an einer ersten Längsposition des Blattes sowie mindestens eine elektronische Kamera mit einem Objektiv und einem Sensor, wobei das Objektiv der Kamera derart auf die Markierung gerichtet ist, dass die Markierung auf den Sensor abgebildet ist und die Kamera auf die Markierung blickt. Die Bilddaten der Kamera werden einer Bilderkennungs- und Auswerteinrichtung zugeführt. Anhand der Bilderkennung und Auswertung wird die Position der Markierung innerhalb des Blickfeldes ermittelt. Bedingt durch die Verformungen des Rotorblattes wird die Abweichung der Position der Markierung mittels einer Recheneinrichtung von einem Referenzwert ermittelt und quantifiziert.
Bei den vorbekannten Methoden führen jedoch Schwingungen der Windkraftanlage zu Messfehlern, da diese Schwingungen auch eine Bewegung der Kamera verursachen. Diese Bewegung wird auf einer fotosensive Fläche der Kamera übertragen, so dass eine durch die Verformung hervorgerufene Bewegung des Reflektorbildes von der Kamerabewegung überlagert wird und somit das Messergebnis verfälscht bzw. das Auswertsystem diese Bewegung als Verformung des Rotorblattes interpretiert und meldet. Darüber hinaus ändert sich die Position der Kamera relativ zu der Blattwurzel mit zunehmender Zeit irreversibel, beispielsweise durch eine Deformation des Rotorblattes im Bereich der Kameraposition auf Grund von Materialkriechen, so dass ein Versatz des Reflektorbildes auf die fotosensive Fläche auch ohne Blattbiegung hervorgerufen wird und die Messung der Blattbiegung und weiterer aerodynamischer Großen fehlerhaft wird.
Generell besteht also das Problem, dass schon minimale translatorische oder rotatorische Bewegungen der Kamera zu teilweise erheblichen Messfehlern führen können.
In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 20010 017 749.0 der Anmelderin wird eine Vorrichtung zur optischen Messung der Biegung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage beschrieben, mit der der Einfluss einer Kamerabewegung auf das Messergebnis der Blattbiegung kompensiert wird. Realisiert wird dies durch ein Positionserfassungsmittel, welches die relative Lage der Kamera zu der Blattwurzel und eine von dieser Lage abhängige weitere Lageinformation zur Verfügung stellt. Die erste Lageinformation charakterisiert die relative Lage zu einer Außenmarkierung und die weitere zusätzliche Lageinformation die relative Lage der Kamera zu einer Innenmarkierung in der Blattwurzel. Durch diese Maßnahme wird die Blattbiegung der Außenmarkierung relativ zu der Position der Blattwurzel unabhängig von der Kameraposition und Orientierung gemessen.
Das von der älteren Anmeldung verwendete Positionserfassungsmittel benötigt zwei Lageinformationen, wobei insbesondere die Ermittlung der zweiten Lageinformation der in der Blattwurzel angeordneten Innenmarkierung für die in der Kamera angeordneter Lichtquelle diese Anordnung aufwendig und störanfällig macht. Die Innenmarkierung muß – bei Nutzung nur einer Kamera – aufwendig über Spiegel und ähnliche Einrichtungen realisiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kamerabasierendes optischen Blattverformungssystem weiterzubilden, dass nicht nur Fehler bei der Bestimmung der Blattverformung auf Grund von Kamerabewegungen vermeidet, sondern auch darüber hinaus auch die Lagepositionsbestimmung gegenüber der älteren Anmeldung der Anmelderin vereinfacht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zur optischen Messung von Verformungen eines Rotorblattes einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der erfinderischen Lösung sind Gegenstände des von dem Hauptanspruch abhängigen Unteransprüchen sowie den beiden Nebenansprüchen.
Die Einrichtung zur Messung der Verformung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage, welches mit seiner Blattwurzel an einer Rotornabe eines Rotors befestigt ist, umfasst als Referenzposition mindestens eine weitere Markierung, die von einer Kamera optisch erfassbar ist bzw. erfasst wird, wobei diese Referenzmarkierung von mindestens einer Lichtquelle erzeugbar ist bzw. erzeugt wird und relativ zu Blattwurzel fixierbar bzw. fixiert wird.
Im Gegensatz zu einer reinen Bewegung einer Verformungsmarkierung, bedingt durch Blattbiegung oder Torsion, bewegt sich bei einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung der Kamera – ausschließlich aus deren Blickfeld gesehen – der Lichtstrahl der Lichtquelle, und damit auch die Referenzposition, auf die sich die Verformung bezieht. Die Bewegung der Kamera beeinflusst somit das Messergebnis der optischen Einrichtung.
Die durch die Verformung bedingten Veränderung der Verformungsmarkierung stehen zu der Referenzposition in einem festen bekannten Abstandsverhältnis zueinander, da die Referenzposition relativ zu einem festen Bezugspunkt, nämlich der Blattwurzel, fixiert ist. Die Bewegung der Kamera kann somit durch eine mit der Kamera gekoppelte Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung herausgerechnet werden und führt nicht weiter zu Messfehlern. Die Erfindung umfasst somit eine Einrichtung zu einer kamerabasiertem Korrektur einer Verformungsmessung für die Rotorblätter einer Windkraftanlage, basierend auf eine Referenzlichtquelle zur Kompensation der Kamerabewegung. Gemessen wird die Bewegung der Verformungsmarkierung relativ zu der Referenzposition und der von der Lichtquelle erzeugten Referenzmarkierung.
Im Gegensatz zu anderen Möglichkeiten zur Korrektur der Kameraposition und Orientierung, wie der Nutzung einer zweiten Kamera oder mehrerer Spiegel, ist die von der Erfindung vorgeschlagene Lösung, mittels einer zusätzlichen Lichtquelle eine Referenzposition zu ermitteln, einfacher zu realisieren als die Lagepostitionierung über zwei Lageinformationen.
In einer vorteilhaften Ausführung sind die Messeinrichtung bezüglich der Anordnung der Kamera, der Referenzlichtquelle und die zugehörigen Markierungen innerhalb des Rotorblattes in Längsrichtung eines Blattes angeordnet. Durch diese Anordnung ist die Einrichtung weitgehend von äußeren Klimaeinwirkungen, die auf die Rotorblätter wirken, geschützt. Die Positionen der Referenzposition, bedingt durch die Lichtquelle – und der Verformungsmarkierungen – bedingt durch die Verformung des Rotorblattes – sind im Rotorblatt fest angeordnet.
Der Lichtstrahl der Lichtquelle kann vorteilhaft in einem optischen Leitungssystem geführt werden, wie z. B einer lichtführenden optischen Faser (Lichtleiter o. ähnl.), in welche die Lichtquelle eingekoppelt wird. Alternativ ist aber auch eine nicht leitungsgebundene Strahlenführung in einem Innenhohlraum des Rotors oder des Blattes möglich.
Die Referenzmarkierung ist vorteilhaft in einer senkrecht zur Blattachse angeordneten Ebene des Rotorblattes in einem festen Längsabstand von der Blattwurzel angeordnet. Die Referenzmarkierung wird in dieser Ausführung als ein Lichtpunkt von der mit der Kamera gekoppelten Bildverarbeitungs – und Auswerteinrichtung erfasst und verarbeitet, wobei der Lichtpunkt von einer Bewegung der Verformungsmarkierung unabhängig ist. Die Bewegung der Kamera ist somit bekannt und kann aus der Verformungsmessung herausgerechnet werden.
Die Kamera ist insbesondere mittels einer Halterung am oder im Rotor befestigt. Sie kann entweder in der Nabe der Windkraftanlage oder im Rotorblatt angeordnet sein. Bevorzugt wird sie in der Nähe der Blattwurzel des Rotors, also im Verbindungsbereich zwischen Nabe und Rotor, angeordnet. Dieser Bereich ist relative einfach für die Montage und Wartung der Kamera zugänglich. Vorzugsweise ist die Kamera mittels der Halterung an oder im Bereich der Blattwurzel am Rotor befestigt. Sie kann zum Beispiel mittels der Halterung an einer Trennwand im Rotorblatt befestigt sein. Eine solche Trennwand dient z. B. dazu ein Hineinfallen von Wartungspersonal und/oder Gegenstände in ein Rotorblatt zu vermeiden. Des weitern können an der Trennwand auch Rotorblattverstelleinrichtungen angebracht sein zur Verstellung des Rotorblattes. In der Trennwand können eine oder mehrere Durchgangsöffnungenvorgesehen sein, durch welche ein oder mehrere optischen Signale oder Lichtstrahlen hindurch treten, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung oder dem Verfahren stehen.
Nach dem Stand der Technik wird die Kamera (der Sensor) so fest wie möglich mittels der Halterung mit dem Rotorblatt oder der Nabe verbunden, um zu verhindern dass die Kamera schwingt und somit das Messsignal verfälscht wird. Durch die Verwendung einer Lichtquelle als zusätzliche Referenzposition zur Bestimmung einer möglichen Kamerabewegung ist diese feste Verbindung nicht mehr erforderlich. Die Kamera kann jetzt „weicher” an der Halterung befestigt werden, da störende Schwingungen durch Verwendung der Lichtquelle aus dem ursprünglichen Messsignal herausgefiltert werden. Ein weiterer vorteilhafter Effekt neben der einfacheren Konstruktion der Kamerahalterung ist, dass hochfrequente Schwingungen, welche die Kamera aufgrund ihrer begrenzten Abtastrate durchführt, nicht mittels der Lichtquelle herausfiltern werden müssen, durch die leichtere und flexiblere („weichere”) Halterung gedämpft werden (Halterung = Schwingungsdämpfer) und somit nicht mehr das Messsignal verfälschen können. Die weichere” Aufhängung der Kamera kann beispielsweise durch Dämpfungselemente wie geeignete Gummipuffer oder Stahlfeder realisiert werden. Die dadurch entstehenden neuen niederfrequenteren Schwingungen können leicht mittels der Lichtquelle und der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung herausgefiltert werden.
Bei der Kamera bzw. dem Sensor handelt es sich bevorzugt um eine Infrarotkamera, die Bildpunkte im Lichtwellenbereich des Infrarotlichtes über den Sensor verarbeiten kann. Dementsprechend werden die Verformungsmarkierungen mit Licht dieser Eigenschaft angestrahlt, so dass die Reflektion und Verschiebung der Verformungsmarkierung optisch sichtbar gemacht werden können. Die Lichtquelle wird vorteilhaft durch einen Laser erzeugt, dessen Lichteigenschaften von der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung auswertbar ist. Bevorzugt handelt es sich um einen Infrarotlaser, da die Bildverarbeitungs- und Auswerteinheit dieses Licht in Beziehung zu dem Licht der Kamera verarbeiten kann. Der Laser ist vorteilhaft parallel zur Betrachtungsrichtung der Kamera auf die Verformungsmarkierung ausgerichtet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Verformungsmarkierung und die Referenzmarkierung auf mindestens einem im Rotorblatt angeordneten Reflektor darstellbar sind. Das von dem Reflektor reflektierte Licht ist von der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung auswertbar bzw. wird von ihr ausgewertet. Bei dem Reflektor kann es sich zum Beispiel um ein sog. Katzenauge (Retroreflektor) oder um eine Spiegelanordnung handeln. Der Reflektor ist vorteilhaft im Abstand zur Kameraposition im Wesentlichen quer zu einer Ebene in der Blattachse angeordnet.
Die detektierten Veformungsmarkierungen mit der zugehörigen Referenzmarkierung auf dem Reflektor werden vorteilhaft an den Sensor reflektiert. Mittels der Bildverarbeitungs- und Auswerteinheit können sie in einem Koordinatensystem dargestellt werden, wobei die senkrechte Richtung des Koordinatensystems eine Biegung des Rotorblattes in der Rotorebene (Edgewise deflection) darstellt, und die zugehörige waagerechte Richtung des Koordinatensystems die entsprechend Biegung des Blattes aus der Rotorebene heraus (Flatwise deflection) darstellt. Die Verdrehung (Torsion) des Blattes wird durch eine Markierung in der oben genannten Koordinatenebene dargestellt. Die Anordnung der Reflektoren oder Markierungen in einer Ebene hat den Vorteil, dass nur ein Reflektor benötigt wird.
Es ist aber nicht immer erforderlich, die Referenz- und Verformungsmarkierung in einer Ebene anzuordnen. Alternativ können auch in einer weiteren Ausführung der Erfindung mehrere Reflektoren verwendet werden, die nicht in einer Ebene angeordnet sind. In diesem Fall sind jeweils ein Reflektor für die Verformungsmarkierung und ein weiterer Reflektor mit vorzugsweise kleinerem Abstand zur Kameraposition vorgesehen, der nur den Referenzlichtstrahl reflektiert. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass die Reflektionen der Verformungsmarkierung leichter von der Reflektion des Referenzwertes zu unterscheiden sind. Des Weiteren können vorteilhaft in verschiedenen Längendistanzen angeordnete Markierungen besser unterschieden werden, die dann von der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung diskriminiert werden. Nachteilig ist jedoch, dass eine solche Anordnung nur die Torsion oder Verdrehung des Blattes registriert, die Korrektur der Kamerabewegung bei einer Translationsbewegung der Kamera jedoch äußerst umständlich zu ermitteln ist.
Bei der Kamera bzw. dem Sensor handelt es sich vorteilhaft um eine elektronische Kamera, bei der die Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung in der Kamera integriert ist. Eine solche Kamera umfasst auch eine Recheneineinheit, welche die Abweichungen von der Referenzposition ermittelt und quantifiziert. Sie ist hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeit insbesondere an das Licht angepasst. Vorzugsweise handelt es sich dabei ebenfalls um Infrarotlicht. Die Kamera nimmt von einer ersten dargestellten Verformungsmarkierung wenigstens ein Bild auf und stellt dieses, insbesondere in Form von Bilddaten, als erste Lageinformation der Auswerteinrichtung zur Verfügung. Die Auswerteinrichtung bestimmt dann unter Anwendung eines Bildauswertungsverfahrens aus den Bilddaten die Verschiebung der Verformungsmarkierung unter Berücksichtigung einer Verschiebung der Referenzposition.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung können vorteilhaft an Stelle einer Lichtquelle oder eines Lasers mehrere Lichtquellen oder Laser seitlich und senkrecht zu einander angeordnet und im Blickfeld der Kamera positioniert werden. Diese Lichtquellen erzeugen weitere optisch erkennbare Referenzmarkierungen bzw. Referenzwerte, die von der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung auswertbar bzw. ausgewertet werden. Durch diese Anordnung wird zusätzlich auch eine Drehung der Kamera in der Rotationsebene der Bildaufnahme erfasst und kann korrigiert werden. Die Anordnung mehrerer Laser oder Referenzlichtquellen hat auch den Vorteil, dass damit auch mögliche Bewegungen und Verschiebungen der Laser untereinander, so lange sie nicht symmetrisch verläuft, herausgemittelt werden. Die weiteren Lichtquellen oder Laser müssen nicht in einer Ebene angeordnet sein.
Die Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage mit einem durch Wind um eine Rotorachse drehbaren Rotor, der eine Rotornabe und wenigstens ein an der Rotornabe befestigtes und sich von dieser in Richtung einer im wesentlichen quer zur Rotorachse verlaufenden Rotorblattes umfasst, wenigstens einen elektrischen Generator, der mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist und von diesem antreibar ist. Die optische Messeinrichtung ist in einer solchen Anlage integriert und ermittelt die durch Wind und Wetter erzeugten aerodynamischen Belastungen der Rotorblätter.
Die erfinderische Windkraftanlage kann gemäß allen im Zusammenhang mit der erfinderischen Einrichtung erläuterten Ausgestaltungen weitergebildet sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur optischen Messung der Verformung mindestens eines Rotorblattes einer Windkraftanlage mittels der erfinderischen Einrichtung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahem der Zeichnung näher beschrieben.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Windkraftanlage.
2 zeigt eine allgemeine schematische und teilweise Darstellung eines Rotors der aus 1 ersichtlichen Windkraftanlage mit einer optischen Messeinrichtung für die Verformung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage.
3a bis 3d zeigen mittels der Kamera aufgenommene Bilder der der optischen Messeinrichtung in einer ersten Ausführung in schematischer Darstellung.
4 zeigt in einer schematischen und teilweise perspektivischen Darstellung die Funktionsweise der Messeinrichtung in einer zweiten Ausführung.
5a bis 5d zeigen mittels der Kamera aufgenommene Bilder der zweiten Ausführung in schematischer Darstellung.
6 zeigt in einer schematischen und teilweise perspektivischen Darstellung die Funktionsweise der Messeinrichtung in einer dritten Ausführung.
7 zeigt ein Detail bezüglich der Funktionsweise der Ausführung nach 6.
Aus 1 ist eine Windenergieanlage 1 ersichtlich, wobei ein auf einem Fundament 2 aufstehender Turm 3 an seinem dem Fundament 2 abgewandten Ende mit einem Maschinenhaus 4 verbunden ist. In dem Maschinenhaus 4 ist ein Maschinenträger 5 angeordnet, an dem ein Rotor 6 um eine Rotorachse 7 drehbar gelagert ist, der eine Rotornabe 8 und damit verbundene Rotorblätter 9 und 10 aufweist, die jeweils um ihre Blattachse 11, 12 relativ zur Rotornabe 8 drehbar sind. Jedes Rotorblatt 9, 10 ist mit einem Verstellantrieb 13, 14 mechanisch gekoppelt, mittels welchem das jeweilige Rotorblatt 9, 10 um die zugehörige Blattachse 7 gedreht und ist mechanisch mit einem elektrischen Generator 16 gekoppelt, der in dem Maschinenhaus 4 angeordnet und an dem Maschinenträger 5 befestigt ist und die auf die einzelnen Rotorblätter wirkende Windkraft 15 zum größten Teil in elektrische Energie umwandelt. Für den kontrollierten Betrieb der Windenergieanlage 1 ist eine Windenergieanlagensteuerung 17 vorgesehen, mittels welcher unter anderem die Verstellantriebe 13, und 14 gesteuert werden.
2 zeigt eine allgemeine schematische und teilweise Darstellung des Rotors 6 in Blickrichtung aus 1, wobei am der Rotornabe 8 ein drittes Rotorblatt 18 mittels eines Rotorlagers 19 drehbar gelagert ist. In 1 ist das Rotorblatt 18 durch die Rotornabe 8 verdeckt. Wie die Rotorblätter 9 und 10 ist auch das Rotorblatt 18 mit einem schematisch angedeuteten Blattwinkelverstellantrieb 27 mechanisch gekoppelt und mittels diesem um die Blattachse 20 drehbar.
2 zeigt ferner eine optische Messeinrichtung 31 für die Verformung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage in einer allgemeinen Ausführung, die ganz oder teilweise in den Rotor 6 integriert ist. Das am Blattlager 19 befestigte Ende des Rotorblattes 19 wird als Blattwurzel 23 bezeichnet. Im Bereich der Blattwurzel 23 ist eine als Laser 24 ausgeführte Lichtquelle angeordnet, deren Strahlengang 25 auf eine Referenzmarkierung 26 gerichtet ist, wobei die Markierung 26 relativ zur Blattwurzel fixierbar bzw. fixiert wird und in einem festen Abstand zur Blattwurzel 23 angeordnet ist. Die Markierung 26 ist in Form eines in einem Hohlraum 30 des Blattes 18 angeordneten Reflektors oder Spiegel ausgeführt.
Die im folgende am Beispiel des Rotorblattes 19 beschriebene optische Messeinrichtung 31 kann selbstverständlich auch in den anderen beiden Rotorblättern 10 und 11 angeordnet sein. Des Weiteren werden auch gleiche Funktionen für unterschiedliche Ausführungsformen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Abstand zu der Blattwurzel 23 ist an einer Halterung 28 in dem Hohlraum 30 des Rotorblattes 18 eine Kamera 29 angeordnet. Bei der Halterung 28 handelt es sich um eine sog. „weiche” Halterung, d. h die Kamera 29 braucht nicht fest mit der Blattwurzel 23 verbunden sein, um zu verhindern, dass die Kamera 29 schwingt und somit das Messsignal verfälscht wird. Durch die Verwendung des Lasers 24 als zusätzliche Referenzposition zur Bestimmung einer möglichen Kamerabewegung ist die Kamera 29 über nicht dargestellte Dämpfungsmittel, wie geeignete Gummipuffer oder Stahlfeder, an der Halterung 28 befestigt. Störende Schwingungen sind durch Verwendung des Lasers 24 aus dem ursprünglichen Messsignal herausgefiltert. Hochfrequente Schwingungen, welche die Kamera 29 aufgrund ihrer begrenzten Abtastrate nicht mittels des Lasers herausfiltern kann, werden durch die leichtere und flexiblere („weichere”) Halterung 28 gedämpft. Sie können somit nicht mehr das Messsignal verfälschen. Die durch die Dämpfungsmittel entstehenden neuen niederfrequenteren Schwingungen können leicht mittels des Lasers 24 und der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung herausgefiltert werden.
Im Blickfeld 32 der Kamera 29 sind in einem axialen Abstand von der Blattwurzel 23 zur nicht dargestellten Blattspitze zwei Licht emittierende Verformungsmarkierungen 33 und 34 sichtbar. Die beiden Markierungen 33, 34 sind ebenfalls als Reflektor oder Spiegel ausgeführt, die am Rotorblatt 18 befestigt sind. Die räumliche Verschiebung der beiden Markierungen stellt die aerodynamische Verschiebung des Rotorblattes 18 dar. Das von den Verformungsmarkierungen 33 und 34 emittierte Licht trifft auf eine fotosensive Fläche 35 der Kamera 29 auf, wobei der Strahlengang des von der Verformungsmarkierung 33 emittierten Lichtes mit dem Bezugszeichen 36 und der von der Strahlengang des von der zweiten Markierung 34 emittierte Licht das Bezugszeichen 37 erhält. Die Verformungsmarkierungen 33 und 34 brauchen nicht in einer Ebene quer zur Blattachse und Zeichnungsebene angeordnet sein, wie dies aus der 2 auch ersichtlich ist. Die Besonderheiten des unterschiedlichen Abstandes der Verformungsmarkierungen 33, 34 und der Referenzmarkierung 26 wird in der Beschreibung zur 6 noch näher erläutert.
Die Kamera 29 ist elektrisch mit einer schematisch dargestellten Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung 38 verbunden, die im Rotorblatt 18, in der Rotornabe 8 oder an einer anderen geeigneten Stelle der Windkraftanlage 1 angeordnet ist. Die Einrichtung 38 kann auch durch die Windkraftanlagensteuerung 17 (1) gebildet sein bzw. mit dieser steuerungstechnisch verbunden sein.
Die Einrichtung 38 ist ferner mit dem Laser 24 verbunden. Ein von der Kamera 29 aufgenommenes Bild 39 (siehe 3) wird in Form von elektronischen Bilddaten 43 und 44 der Einrichtung 38 zugeführt, wobei die Bilddaten der Verformungsmarkierungen 33 und 34 mit dem Bezugszeichen 43 und die Bilddaten des Lasers 24 mit der Bezugszahl 44 gekennzeichnet sind. Die Bilddaten 43 und 44 umfassen eine von der relativen Lage der Kamera 20 zu den beiden Verformungsmarkierungen 33 und 34 abhängige erste Lageinformation und zusätzlich eine von der relativen Lage des Lasers 24 zu der Referenzmarkierung 26 abhängige weitere Lageinformation.
Die Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung 38 berechnet – ggf. unter zu Hilfenahme einer nicht dargestellten Recheneinheit – die relative Lage der Kamera 29 zu der Blattwurzel 23 sowie die relative Lage der Kamera 29 zu den Verformungsmarkierungen 33 und 34. Aus den berechneten Lagen bestimmt dann die Einrichtung 38 die relative Lage der Blattwurzel 23 zu den beiden Verformungsmarkierungen 33 und 34, wobei diese relative Lage die Verformung des Rotorblattes 18 charakterisiert.
Aus 3a bis 3d sind mehrere von der Kamera 29 gemäß der vorherigen Beschreibung aufgenommene Bilder 39 ersichtlich, wobei hier ein von der Markierung 33 dargestellter rechter Bildpunkt mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet ist und ein weiterer links angeordneter Bildpunkt den der Markierung 34 darstellt, der mit dem Bezugszeichen 41 bezeichnet ist, und die Verschiebung der Markierung 33 zu der Position 34 darstellt. Ein von der Referenzmarkierung 26 dargestellter Bildpunkt ist mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet. Die Verformung des Rotorblattes 18 wird ist durch ein Koordinatensystem X, Y Z dargestellt, welche die Biegung des Blattes darstellt und Z die Rotationsachse für das Blatt 18 kennzeichnet. Die Referenzmarkierung 26 und die Verformungsmarkierungen 33 und 34 sind in einer Ebene senkrecht zur Blattachse und der Zeichnungsebene angeordnet. Die senkrechte Y Richtung des Koordinatensystems stellt die Biegung des Rotorblattes in der Rotorebene (Edgewise deflection) dar. Die zugehörige waagerechte X Richtung des Koordinatensystems kennzeichnet die entsprechend Biegung des Blattes aus der Rotorebene heraus (Flatwise deflection). Die Verdrehung (Torsion) des Blattes wird durch die Z Ebene des Koordinatensystems dargestellt. Die Anordnung der Reflektoren oder Markierungen in einer Ebene hat den Vorteil, dass nur ein Reflektor benötigt wird.
In 3a zeigt das Bild 39 der Kamera 29 bei einer festen und unbeweglichen Anordnung der Kamera 29. Der Bildpunkt 42 der Referenzmarkierung 26 ist im festgelegten Nullpunkt des Koordinatensystems. Der winkelmäßige Abstand der beiden Bildpunkte 40, 41 stellen die Verformung des Rotorblattes 18 dar.
3b zeigt das Kamerabild 39 für den Fall, das sich nur die Verformungsmarkierungen bewegt und die Kameraposition unbeweglich ist, so dass die Position der Referenzmarkierung 26 sich nicht ändert, da der sie erzeugte Laserstrahl relativ zur Blattwurzel fixiert ist
3c zeigt das Kamerabild 39 für den Fall, dass sich die Kamera 29 bewegt. Auf Grund der festen Kopplung zwischen der Kamera- und der Laserposition bewegt sich der zugehörige Referenzbildpunkt 42 aus der Position in 3a und 3b zu der neuen Position in 3c. Der Bildpunkt 42 bildet jetzt den Nullpunkt für ein neues Koordinatensystem X', Y', und Z'. Die neue, verschobenen Position des Referenzbildpunktes 42 kann über die Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung 38 herausgerechnet werden und hat somit keinen Einfluss mehr auf die Messung der Blattverformung der Windkraftanlage 1. Ohne die Laserreferenzanordnung würde die Messeinrichtung 31 den Einfluss der Kamerabewegung auf das Messergebnis der Blattverformung nicht detektieren, das ermittelte Messergebnis für die Verformung des Rotorblattes wäre somit ungenau.
3d zeigt das Kamerabild 39 für den Fall, das sich nur die Kamera 29 bewegt, wobei die Verformungsmarkierungen 41, 42 die gleiche Positionen innehaben wie in 3a, also keine Verformung vorliegt. Die durch die Kamerabewegung verursachte Verschiebung des Koordinatensystems bildet jetzt eine neuen Koordinatensystem X'', Y'', Z''.
4 zeigt ein mittels der Kamera aufgenommenes Bild einer zweiten Ausführung der Erfindung in schematischer Darstellung. Der Unterschied zur der ersten Ausführung der optischen Messeinrichtung 31 besteht darin, dass anstelle einer Lichtquelle (Laser 24) insgesamt vier solcher Lichtquellen vorhanden sind, die mit den Bezugszeichen 24a bis 24d gekennzeichnet sind und parallel und seitlich zur Kamera 29 angeordnet sind. Die vier Lichtquellen 24a bis 24d sind in dem Kamerabild 39 durch Bildpunkte 42a bis 42d gekennzeichnet. Durch diese Anordnung wird zusätzlich auch eine Drehung der Kamera 29 in der Rotationsebene der Bildaufnahme erfasst und kann korrigiert werden. Die Anordnung mehrerer Laser 24a bis 24d hat auch den Vorteil, dass damit mögliche Bewegungen und Verschiebungen der Laser untereinander, so lange sie nicht symmetrisch verlaufen, herausgemittelt werden. Die verschiedenen Laser müssen nicht in einer Ebene angeordnet sein.
5a bis 5d zeigen mittels der Kamera 29 aufgenommene Bilder der zweiten Ausführung in schematischer Darstellung. Analog zu der Darstellung in 3a bis 3d sind hier ebenfalls verschiedene Kamerabilder 39 dargestellt.
5a zeigt das Kamerabild 39, bei dem sich weder die Kamera 29 noch die Veformungsmarkierungen bewegen. Diese Darstellung entspricht der Darstellung der 3a, jedoch mit den vier Referenzlichtpunkten 42a bis 42d.
Die Darstellung in 5b zeigt das Kamerabild 39, bei dem sich nur die Verformungsmarkierungen 41, 42 bewegen, und zwar in der X, Y Ebene in Form einer Rotation. Die Lagepositionierung der beiden Lichtpunkte 40, 41 ist winkelmäßig entsprechend der Rotation des Rotorblattes verschoben und kann mittels der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung 38 (2) ermittelt werden.
5c zeigt das Kamerabild 39 für den Fall, dass die Kamera 29 eine Rotationsbewegung durchführt. Auf Grund der festen Koppelung zwischen den einzelnen Laser Lichtpunkten 42a bis 42d ist der relative Abstand der Verformungsmarkierung gleich geblieben. Das Koordinatensystem ist lediglich auf Grund einer Rotationsbewegung der Kamera 29 im Uhrzeigersinn geschwenkt. Die Referenzbildpunkte 42a bis 42d behalten ihre relative Lage zu den Bildpunkten 40, 41 bei. Sie bewegen sich nicht.
Führt jedoch zusätzlich die Kamera 29 – wie dies in dem Kamerabild 39 der 5c dargestellt ist – ebenfalls eine Rotationsbewegung so wird die Position der beiden Verformungsbildpunkte 40, 41 zueinander nicht verändert, sondern nur die Position der Referenzbildpunkte 42a bis 42d. Das zughörige Koordinatensystem wird also im Uhrzeigersinn gedreht.
5d zeigt das Kamerabild 39 für den Fall, dass sich ausschließlich die einzelnen Laserbildpunkte 42a bis 42d in ihrer Position gegenseitig verändert haben. Da in diesem Fall mehrere Laserpunkte von einander unabhängig bewegen, können mögliche Messfehler der Referenzposition herausgerechnet. Die Verformung des Blattes ist – wie aus der Position der Verformungsbildpunkte 40, 41 ersichtlich ist, nicht geändert.
6 zeigt in einer schematischen und teilweise perspektivischen Darstellung die Funktionsweise der optischen Messeinrichtung 31 in einer dritten Ausführung. Bei dieser Anordnung weist die Referenzmarkierung 26 mit dem zughörigen Bildpunkt 42 und die Verformungsmarkierungen 33, 34 mit den zugehörigen Bildpunkten 40, 41 unterschiedliche Längenabstände zur Blattwurzel 23 auf. Somit entspricht diese Darstellung der Anordnung der 2. Der Vorteil bei einer solche Anordnung ist, das die Kamera 29 bzw. der in ihr integrierte Sensor besser die die beiden Reflektionen der beiden Verformungsbildpunkte 40, 41 von der des Laser 42 unterscheiden kann. Des Weiteren können mit dieser Anordnung sowohl Messungen und Korrekturen der rotatorischen Bewegung der Kamera 29 erfasst und korrigiert werden und eine mögliche Bewegung der oder des Lasers 24, solange sie nicht symmetrisch sind, herausgemittelt werden.
7 zeigt den Einfluss der Rotationsbewegung der Kamera 29 bezüglich eines Markierungsbildpunktes z. B. 40 (in 7a) und des Referenzbildpunktes 42, wenn beide Markierungen einen unterschiedlichen Abstand zur Blattwurzel 23 aufweisen, wie dies in der Ausführung der 2 bzw. 6 dargestellt ist. 7a zeigt die Anordnung ohne Rotations
bewegung der Kamera 29. Die Referenzmarkierung 42 und die Verformungsmarkierung 40 bzw. 41 liegen fluchtend in einer Linie.
7b zeigt die Verschiebung der Bildpunkte 42, bedingt durch die Referenzmarkierung 26 als auch der Bildpunkte 40, 41, bedingt durch die Verformungsmarkierungen 33, 34 bei der Rotationsbewegung der Kamera 29 im Uhrzeigersinn. Aus 7b ist ersichtlich, dass sowohl die Referenzmarkierung 42 als auch die Verformungsmarkierung noch im Blickfeld 32 der Kamera 29 liegen (siehe 2) liegen. Daraus folgt, dass damit die Rotationsbewegung der Kamera 29 von der optischen Messeinrichtung 31 detektiert wird und aus der Verformungsbewegung herausgerechnet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: Fundament
3: Turm
4: Maschinenhaus
5: Maschinenträger
6: Rotor
7: Rotorachse
8: Rotornabe
9: Rotorblatt
10: Rotorblatt
11: Rotorblatt
12: Blattachse
13: Blattwinkelverstellantrieb
14: Blattwinkelverstellantrieb
15: Windrichtung
16: Generator
17: Windkraftanlagensteuerung
18: Rotorblatt
19: Rotorlager
20: Blattachse
21: Blattlager
22: Blattlager
23: Blattwurzel
24: Laser/Lichtquelle
25: Strahlengang
26: Referenzmarkierung
27: Blattwinkelverstellantrieb
28: Halterung
29: Kamera
30: Hohlraum
31: Optische Messeinrichtung
32: Blickfeld
33: Verformungsmarkierung
34: Verformungsmarkierung
35: Fotosensive Fläche
36: Lichtstrahl
37: Lichtstrahl
38: Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung
39: Bild
40: Bildpunkt von Markierung 33
41: Bildpunkt von Markierung 34
42: Bildpunkt der Referenzmarkierung
43: Bilddaten
44: Bilddaten
X, Y, Z: Koordinatensystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009007938 A1 [0004]
DE 20010017749 [0007]

Claims

Einrichtung zur optischen Messung von Verformungen eines Rotorblattes (9, 10, 18) einer Windkraftanlage (1), welches mit seiner Blattwurzel (23) an einer Rotornabe (8) eines Rotors (6) befestigt ist, mit – wenigstens eine im Rotor (6) befestigte Kamera (29), wobei die Kamera (29) mit ihrem Objektiv und einem Sensor auf mindestens eine im Abstand zur Blattwurzel (23) vom Blickfeld der Kamera (29) erfassten Referenzposition einer optisch erfassbaren Verformungsmarkierung (33, 34) gerichtet ist und diese auf dem Sensor abbildet, – eine mit der Kamera (29) gekoppelte Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung (38), mittels welcher die Bilddaten (43) der Kamera (29) zugeführt werden und Abweichungen von der Referenzposition in eine abweichende Position durch die Verformungen ermittelt und quantifiziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzposition mindestens eine wertere Markierung (26) von der Kamera (29) optisch erfassbar ist bzw. erfasst wird, wobei diese Referenzmarkierung (26) von mindestens einer Lichtquelle (24) erzeugbar ist bzw. erzeugt wird und diese relativ zur Blattwurzel (23) fixierbar bzw. fixiert wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Markierungen (26, 33, 34) innerhalb des Rotorblattes (18) in Längsrichtung des Blattes (18) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang der Kamera ((36, 37) und der Lichtquelle (25) in einem optischen Leitungssystem geführt ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarkierung (26) in einer senkrecht zur Blattachse (20) angeordneten Ebene des Rotorblattes (18) in einem festen Längsabstand von der Blattwurzel (23) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarkierung (26) als Bildpunkt (42) von der Kamera (29) erfasst und von der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung (38) verarbeitbar ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (29) mittels wenigstens einer Halterung (28) an oder im Bereich der Blattwurzel befestigt ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (28) Schwingungsdämpfer umfasst, mittels dessen hochfrequente Schwingungen herausfiltert werden, welche die Kamera (29) aufgrund ihrer begrenzten Abtastrate mittels der Lichtquelle (24) herausfiltert.
Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (29) im Inneren des Rotorblattes (18) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (29) in der Nabe (8) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsmarkierungen ((33, 34) von einer in der Kamera (29) integrierten zusätzlichen Lichtquelle angestrahlt werden.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Lichtquelle Lichtstrahlen im infrarotem Bereich erzeugt.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle einen Laser (24) umfasst, dessen Lichteigenschaften von der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung (38) auswertbar ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsmarkierung (33, 34) und Referenzmarkierung (26) auf einem im Rotorblatt (18) angeordneten Reflektor darstellbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor im Wesentlichen quer zu einer Ebene in der Blattachse (20) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reflektoren bzw. Markierungen in unterschiedlichem Längsabstand zur Kamera (29) vorgesehen sind.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarkierung (26) und die Verformungsmarkierung (33, 34) jeweils einem separaten Reflektor zugeordnet sind.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung (38) eine Visualisierungseinheit umfasst mittels dessen die Blattverformung darstellbar ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung (38) in der Kamera (29) integriert ist und eine Recheneineinheit umfasst.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (29) auf dem Reflektor bewegliche Bildpunkte (41, 42) erzeugt, welche die Verformung des Rotorblattes (18) kennzeichnen.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle bzw. der Laser (24) auf dem Reflektor einen Lichtpunkt erzeugt, der von der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung (38) auswertbar bzw. ausgewertet wird.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle bzw. der Laser (24) weitere Referenzlichtquellen (24a bis 24d) umfasst, die seitlich und senkrecht zu einander positioniert sind, und auf dem Reflektor jeweils unterschiedliche Bildpunkte (42a bis 42d) erzeugen, die von der Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung (38) auswertbar bzw. ausgewertet werden.
Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Referenzmarkierung (26a bis 26d) einen zur Kamera (29) unterschiedlichen Längsabstand aufweist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Messwerte der Verformung als mindestens ein Stellglied einer Windkraftanlagensteuerung (17) zugänglich gemacht werden, mittels dessen die Einstellung des Anstellwinkels oder dessen Auftriebes eines oder mehrerer Rotorblätter (9, 10, 11, 18) veränderbar ist.
Windkraftanlage mit einem durch Wind (15) um eine Rotorachse (7) drehbaren Rotor (6), der eine Rotornabe (8) und wenigstens ein an der Rotornabe (8) befestigtes und sich von dieser in Richtung einer im wesentlichen quer zur Rotorachse (7) verlaufenden Rotorblattes (9, 10, 11, 18) umfasst, wenigstens einen elektrischen Generator (16), der mit dem Rotor (6) mechanisch gekoppelt ist und von diesem antreibar ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung (31) zur optischen Messung von Verformungen mindestens eines Rotorblattes (9, 10, 11, 18) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche.
Verfahren zur optischen Messung der Verformung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage gekennzeichnet durch die Verwendung einer optischen Messeinrichtung (31) gemäß einem oder mehrer der vorherigen Ansprüche.