DE102011079432A1

DE102011079432A1 - Ansteuerung einer Windturbine, Rotorblatt und Windturbine

Info

Publication number: DE102011079432A1
Application number: DE102011079432A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Sterzing; Kristian Robert Dixon; Siegmund Düll; Per Egedal; Thomas Esbensen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: US9194369B2; DE102011079432B4; US20130022464A1; CN102889176A

Abstract

Es wird vorgeschlagen, ein Rotorblatt einer Windturbine mit mindestens einer Luftkammer auszustatten und mittels dieser Luftkammer einen Modulationsstrahl so aus dem Rotorblatt zu leiten, dass die Luftströmung entlang des Rotorblatts verändert wird. Dabei kann einerseits ein das Umschlagen der laminaren Strömung in eine turbulente Strömung, sowie deren Ablösung und andererseits ihr Wiederanlegen zum Herstellen der laminaren Strömung erreicht werden. Die Ansteuerung erfolgt bevorzugt anhand elektrostatischer Aktuatoren mittels einer erlernbaren auf neuronalen Prognosen basierenden Steuerstrategie, die die Komplexität des nichtlinearen Systems und die Vielzahl der Einflussfaktoren berücksichtigt. Hierdurch kann vorteilhaft die Belastung auf die Rotorblätter der Windturbine reduziert werden, was eine verlängerte Lebendsauer und reduzierte Wartungskosten, einen höheren Wirkungsgrad oder leiseren Betrieb bewirkt. Die Erfindung kann beispielsweise im Zusammenhang mit Windturbinen als erneuerbare Energiequellen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Windturbine, ein Rotorblatt, das eine entsprechende Ansteuerung ermöglicht sowie eine Vorrichtung zur Ansteuerung mindestens eines Rotorblattes. Weiterhin wird auch eine Windturbine mit mindestens einem derartigen Rotorblatt und/oder mindestens einer derartigen Vorrichtung zur Ansteuerung vorgeschlagen.
Die Lebensdauer eines Rotorblatts einer Windturbine ist in hohem Maße abhängig von der Stärke der auf das Rotorblatt wirkenden zyklischen Belastungen basierend z.B. auf Scherwinden, Turbulenzen und Anlaufbedingungen. Hierbei sind hohe Belastungen in Form von Auslenkungen der Rotorblätter unerwünscht, insbesondere wenn sich Zustände hoher Belastung zeitnah mit Zuständen ohne Belastung oder gar mit Zuständen inverser Belastung (dynamische Wechselbelastungen) abwechseln. Beispielsweise führen Wechsel-Auslenkungen infolge einer Anregung mit einer Resonanzfrequenz oder wegen der abwechselnden Windgeschwindigkeiten abhängig von der Position des Rotorblatts zu einer besonders starken Alterung des Rotorblatts.
Typischerweise muss ein Rotorblatt einer Windturbine Millionen von Belastungszyklen aushalten, die zu einem allmählichen Verschleiß des Rotorblatts führen und die verbleibende Lebensdauer reduzieren. Hierbei ist es von Nachteil, dass die vorstehend genannten besonders starken Belastungen die Lebensdauer der Windturbine drastisch verkürzen.
Es ist bekannt, einen Anstellwinkel des Rotorblatts (auch bezeichnet als "Pitch") der Windturbine zu verändern. Dies führt dazu, dass sich die von der Windturbine produzierte Leistung verändert. Insbesondere können die Rotorblätter der Windturbine einzeln gekippt werden. Allerdings ist die bevorstehende Belastung des Rotorblatts im Voraus nicht bekannt und ein Kippen des Rotorblatts, das ein Gewicht von beispielsweise 10 Tonnen oder mehr aufweist, benötigt Energie und Zeit. Zusätzlich ist es von Nachteil, dass eine solche Verstellung des Rotorblatts selbst eine erhebliche Belastung und einen damit einhergehenden Verschleiß der Lager des Rotorblatts und der Kipp-Aktuatoren bewirkt, was sich wiederum negativ auf die Lebensdauer des Systems sowie auf die erforderliche Wartung der Windturbine auswirkt.
Weiterhin ist bekannt, als Lernalgorithmus beispielsweise eines der folgenden Verfahren einzusetzen:

– ein NFQ-Verfahren ("Neural Fitted Q Iteration", siehe: M. Riedmiller: Neural Fitted Q Iteration – First Experiences with a Data Efficient Neural Reinforcement Learning Method. In Proc. of the European Conf. on Machine Learning, 2005),
– ein RCNN ("Recurrent Control Neural Network", siehe: A.M. Schaefer, S. Udluft, and H.-G. Zimmermann. A Recurrent Control Neural Network for Data Efficient Reinforcement Learning. In Proc. of the IEEE International Symposium on Approximate Dynamic Programming and Reinforcement Learning, 2007; oder A. M. Schäfer, D. Schneegaß, V. Sterzing, and S. Udluft. A Neural Reinforcement Learning Approach to Gas Turbine Control. International Joint Conference on Neural Networks, 2007) und/oder
– ein PGNRR-Verfahren ("Policy Gradient Neural Rewards Regression", siehe: D. Schneegaß, S. Udluft, and Th. Martinetz. Improving Optimality of Neural Rewards Regression for Data-Efficient Batch Near-Optimal Policy Identification. In Proc. of the International Conf. on Artificial Neural Networks, 2007).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und eine effiziente Lösung zu schaffen, um besonders starke Belastungen auf die Windturbine bzw. deren Rotorblätter zu reduzieren sowie inverse Belastungen zu reduzieren und somit die Lebensdauer des Systems Windturbine zu verlängern bzw. die Wartungskosten zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer Windturbine mit mindestens einem Rotorblatt angegeben,

– bei dem ein Modulationsstrahl aus mindestens einer Kammer des Rotorblatts geleitet wird, um einen Luftstrom entlang des Rotorblatts zu verändern.

Bei dem Modulationsstrahl handelt es sich beispielsweise um einen Kontrollstrahl zur Beeinflussung der aerodynamischen Grenzschicht. Somit wird eine aktive Kontrolle des Luftstroms vorgeschlagen, um die Belastung der Rotorblätter einer Windturbine zu reduzieren.
Somit kann mittels eines Aktuators das Anliegen der Strömung entlang des Rotorblattes, der damit erzeugte aerodynamische Auftrieb und die damit verbundene Last auf dem Rotorblatt manipuliert werden.
Die hier vorgestellte Lösung nutzt insbesondere eine aktive Steuerung des Luftstroms (auch bezeichnet als "Active Flow Control", AFC) entlang des Rotorblatts der Windturbine. Diese Art der aktiven Steuerung ermöglicht die Beeinflussung des Auftriebs des Rotorblatts ohne eine (schnelle) Bewegung bzw. Beschleunigung großer Massen, z.B. des Rotorblatts oder eines Teils davon.
Der Ansatz ist robust gegenüber Störungen und überaus energieeffizient. Der (pulsierende) Luftstrom kann unter unterschiedlichen Winkeln mit oder entgegen der der Rotation entsprechenden Basisströmung austreten. Somit kann eine teilweise abgelöste Strömung zum Anliegen gebracht (Erhöhung der Blattlast und aerodynamischen Effizienz) bzw. eine anliegende Strömung zur Ablösung gebracht werden (Senkung der aerodynamischen Effizienz des Profils und damit der Blattlast). So kann gezielt gesteuert und geregelt werden, um beispielsweise eine Lastverteilung zu steuern und/oder die Wirkung von Turbulenzen, Böen oder Scherwinden zu lindern.
Die Steuerung mittels des Luftstroms kann beispielsweise in einem äußeren Bereich des Rotorblatts erfolgen. Dies ist von Vorteil, weil die Belastung in der Nähe der Spitze des Rotorblatts die größten Auswirkungen auf die Biegemomente an der Wurzel des Rotorblatts hat.
Somit ist es möglich, die Belastungen während des Betriebs der Windturbine deutlich zu reduzieren. Insbesondere werden Schwingungen reduziert oder vermieden, die sich schädlich auf die Lebensdauer des Rotorblatts auswirken.
Insbesondere kann die Kammer bis auf eine Zuleitung und die Öffnung zum Herausführen des Modulationsstrahls dicht ausgeführt sein. Dabei kann statt eines kontinuierlichen, ein geeignet pulsierender Modulationsstrahl erzeugt werden, der angesaugt und gerichtet ausgestoßen wird.
Eine Weiterbildung ist es, dass der Modulationsstrahl aus dem Rotorblatt im Wesentlichen in Richtung eines entlang des Rotorblatts verlaufenden Luftstroms verläuft.
Insbesondere wird der Modulationsstrahl so aus der Kammer des Rotorblatts geleitet, dass der Luftstrom (wieder) laminar entlang dem Rotorblatt verläuft (in Form einer laminaren Strömung ohne Strömungsabriss). Beispielsweise kann durch diesen Modulationsstrahl eine Strömungsablösung reduziert und die Stärke der Grenzschicht verringert werden. Dies erhöht den Auftrieb des Rotorblatts und kann einer starken inversen Belastung des Rotorblatts entgegenwirken.
Hierbei sei angemerkt, dass die Austrittsrichtung des Modulationsstrahls gerichtet sein kann.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der Modulationsstrahl aus dem Rotorblatt im Wesentlichen entgegen einer Richtung eines entlang des Rotorblatts verlaufenden Luftstroms verläuft.
Somit kann der Modulationsstrahl einen Abriss der Strömung entlang des Rotorblatts bewirken. Auf diese Weise wird die Auftriebskraft an dem Rotorblatt und damit die Belastung des Rotorblatts reduziert.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass ein Volumen der Kammer mittels einer elektrischen Spannung (elektrostatisch), insbesondere über einen elektrisch betreibbaren Aktuator, verändert wird.
Zusätzlich ist es eine Weiterbildung, dass anhand eines nichtlinearen aus Daten erlernten Modells, insbesondere eines neuronalen Netzes, insbesondere in Abhängigkeit weiterer Einflussgrößen eine Stärke, ein Beginn und/der eine Dauer einer erwarteten Laständerung des mindestens einen Rotorblatts prognostiziert wird.
Die aerodynamische Wirkung des Modulationsstrahls tritt nicht unmittelbar, sondern verzögert auf. Diese Verzögerung ist insbesondere nicht konstant, sondern hängt nichtlinear und stochastisch von weiteren Variablen, z.B. der Rotorgeschwindigkeit, der Windstärke, dem Blattanstellwinkel, der Turbinenausrichtung zum Wind, der Luftdichte und Turbulenz sowie weiteren Faktoren ab. Diese Faktoren beeinflussen die Dauer und Wirksamkeit des Modulationsstrahls.
Eine nächste Weiterbildung besteht deshalb darin, dass eine Strategie zur Prognose, Planung und Steuerung des Modulationsstrahls erlernt und entsprechend dieser Strategie der Modulationsstrahl angesteuert wird.
Zur Prognose können nichtlineare Modelle, z.B. neuronale Netze, insbesondere Rekurrente Neuronale Netze wie

– ein ECNN (vgl. H. G. Zimmermann, R. Neuneier und R. Grothmann: "Modeling of Dynamical Systems by Error Correction Neural Networks" in "Modeling and Forecasting Financial Data, Techniques of Nonlinear Dynamics", A. Soofi und L. Cao, Kluwer Academic Publishers, Seiten 237–263, 2002) oder
– ein DCNN (vlg. H. G. Zimmermann, R. Grothmann, A. M. Schaefer und Ch. Tietz: "Identification and Forecasting of Large Dynamical Systems by Dynamical Consistent Neural Networks" in "New Directions in Statistical Signal Processing: From Systems to Brain", MIT Press, 2006, Seiten 203–242)

Zum Erlernen der Ansteuer-Strategie kann beispielsweise ein NFQ-Verfahren, ein RCNN oder ein PGNRR-Verfahren eingesetzt werden. Ein solches Erlernen kann basierend auf gesammelten Parametern und/oder Messgrößen erfolgen und die erlernte Strategie kann (nach einer Lernphase) zur Ansteuerung der Kammern eingesetzt werden. Die Ansteuerung kann für jede Kammer und/oder für jedes Rotorblatt der Windturbine unabhängig erfolgen.
Das Erlernen kann unter Berücksichtigung oder basierend auf einer geeigneten Modellierung, z.B. einem RNN für eine Belastungsvorhersage und/oder einem neuronalen Netz zur Evaluierung eines Lastzustands und einen Windzustands erfolgen.
Eine Ausgestaltung ist es, dass in der Strategie zur Steuerung des Modulationsstrahls mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird:

– eine Belastung des Rotorblatts;
– eine Auslenkung des Rotorblatts;
– ein Blattanstellwinkel;
– eine Rotordrehzahl;
– eine Turbinenausrichtung zum Wind;
– eine Windgeschwindigkeit;
– Scherwinde;
– eine Luftdichte;
– eine Temperatur;
– Turbulenzen oder Bedingungen, die zu Turbulenzen führen können.

Die Parameter können gemessen oder aus gemessenen Größen abgeleitet werden. Auch ist es möglich, dass mindestens ein Parameter erlernt und/oder modelliert wird z.B. basierend auf anderen verfügbaren Parametern oder gemessenen Größen. Damit ist es möglich, die Wirkung einer aktiven Strömungsregelung zu erlernen und die Windturbine (bzw. die Aktuatoren der Rotorblätter) in Zeitpunkt und Stärke entsprechend anzusteuern.
Lernende Verfahren, z.B. neuronale Netze und Bestärkendes Lernen ("Reinforcement Learning") können eingesetzt werden, um eine Dynamik der aktiven Beeinflussung des Luftstroms (AFC) sowie nichtlineare Abhängigkeiten mit umgebenen Luftströmen, Luftströmen entlang des Rotorblatts und Biegungen des Rotorblatts geeignet abzubilden bzw. zu modellieren.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass das Rotorblatt mehrere Kammern aufweist, die jeweils gemeinsam oder getrennt voneinander angesteuert werden.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung weist die Kammer ein Volumen auf, das zumindest teilweise zwischen zwei metallischen Flächen angeordnet ist und das mittels eines elektrostatischen Effekts über eine elektrische Spannung verändert bzw. eingestellt wird.
Luftkammern innerhalb des Rotorblatts, die z.B. durch übereinander angeordnete Schichten elektrisch leitender Materialien ausgeführt sein können, erlauben eine Erzeugung von Luftpulsen, indem ein (Hochspannungs-)Signal unter Ausnutzung des elektrostatischen Effekts eingesetzt wird, um das Volumen der Luftkammern zu verändern.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der Modulationsstrahl kontinuierlich oder pulsierend erzeugt wird.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass ein Modulationsstrahl über ein Ventil aus mindestens einer Kammer des Rotorblatts geleitet wird.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der Modulationsstrahl anhand von Luft, die über eine Zuleitung in die Kammer gelangt, erzeugt wird,

– wobei die Zuleitung über die Nabe der Windturbine mit komprimierter Luft gespeist wird und/oder
– wobei die Zuleitung über eine Zuführöffnung in dem Rotorblatt mit Luft gespeist wird.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Rotorblatt

– aufweisend eine Kammer, die über eine Zuleitung mit Luft versorgbar ist,
– aufweisend einen Aktuator, anhand dessen das Volumen der Kammer einstellbar (z.B. schnell veränderbar) ist,
– eine Öffnung, anhand derer die Kammer mit dem Außenraum verbunden ist.

Die Kammer kann mit dem Außenraum durch eine Folge kurzer Spalte verbunden sein, anhand derer ein gerichteter Luftstrahl erzeugt werden kann.
Die vorstehend erläuterten Merkmale sind entsprechend mit dieser Vorrichtung kombinierbar.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Aktuator übereinander angeordnete Schichten elektrisch leitender Materialien umfasst, anhand derer ein Modulationsstrahl erzeugbar ist, indem eine elektrische Spannung unter Ausnutzung des elektrostatischen Effekts eingesetzt wird, um das Volumen der Kammer (schnell) zu verändern.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass über ein Ventil die Kammer über die Öffnung mit dem Außenraum verbunden ist.
Auch wird zur Lösung der oben genannten Aufgabe eine Vorrichtung zur Ansteuerung mindestens einer Windturbine mit je mindestens einem Rotorblatt vorgeschlagen, umfassend eine Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass

– ein Modulationsstrahl aus mindestens einer Kammer des Rotorblatts leitbar ist, um einen Luftstrom entlang des Rotorblatts zu verändern.

Auch wird eine Windturbine vorgeschlagen, die mindestens eines der hier beschriebenen Rotorblätter aufweist.
Ferner wird eine Windturbine bzw. ein System mit mindestens einer Windturbine vorgeschlagen, dass mindestens eine Vorrichtung zur Ansteuerung wie hier beschrieben aufweist.
Die hier genannte Verarbeitungseinheit kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise fest verdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Verarbeitungseinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Insbesondere kann auch ein Teil der Vorrichtung über eine Netzwerkschnittstelle (z.B. das Internet) angebunden sein.
Die hierin vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z.B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z.B. in Form von Programmcode) die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Windturbine mit drei Rotorblättern, die an einer Nabe bzw. an einem Rotorkopf befestigt sind;
2 einen schematischen Ausschnitts des Rotorblatts mit den Kammern;
3 schematisch einen Schnitt durch das Rotorblatt, wobei der Modulationsstrahl aus der Kammer des Rotorblatts ein Abreißen des entlang des Rotorblatts laminar geführten Luftstroms bewirkt;
4 schematisch einen Schnitt durch das Rotorblatt, wobei hier der zu 3 umgekehrte Fall veranschaulicht wird, d.h. dass ein Luftstrom, der nicht auf der gesamten Länge des Profils laminar entlang des Rotorblatts verläuft, so beeinflusst wird, dass sich aufgrund einer Sogwirkung zumindest über einen weiteren Bereich auch ein laminarer Luftstrom ergibt;
5 einen schematischen Ausschnitt des Rotorblatts, wobei die Kammer von der Nabe oder dem Rotorkopf der Windturbine gespeist werden;
6 ein schematisches Diagramm, das eine Ansteuerung einer Windturbine insbesondere mittels der Spannungen zur Ansteuerung der hier erläuterten Modulationsstrahlen veranschaulicht.
Der vorliegende Ansatz schlägt vor, einen Aktuator vorzusehen zur Einstellung der Strömung an einem Rotorblatt, wobei eine Strategie zur Einstellung der Strömung erlernt und entsprechend dieser Strategie der Aktuator angesteuert werden kann.
Die Strategie berücksichtigt insbesondere mindestens einen der folgenden Parameter:

Die vorstehenden Parameter können direkt gemessen werden oder aus gemessenen Größen abgeleitet werden. Auch ist es möglich, dass mindestens ein Parameter erlernt und/oder modelliert wird z.B. basierend auf (mindestens einem) anderen verfügbaren Parametern oder gemessenen Größen.
Auf Grundlage der genannten Parameter kann ein (ggf. nichtlineares) Modell eingesetzt werden, um einen pulsierenden oder einem (im Wesentlichen) kontinuierlichen Luftstrom in die Unterdruckseite des Rotorblattprofils einzuleiten. Damit entsteht ein Modulationsstrahl (als ein Luftstrom), der entgegen den allgemeinen Luftstrom gerichtet werden kann und bewirkt, dass der laminare Luftstrom an der Fläche des Rotorblatts abreißt und somit die Auftriebskraft an dem Rotorblatt und damit die Belastung des Rotorblatts reduziert.
Alternativ ist es möglich, dass der Modulationsstrahl so eingesetzt wird, dass ein Ablösen des Luftstroms verhindert wird oder ein bereits abgelöster Luftstrom sich wieder an das Profil anlegt. Dies erhöht den Auftrieb des Rotorblatts und kann einer starken inversen Belastung des Rotorblatts entgegen wirken.
Optional kann der Modulationsstrahl pulsierend aktiviert werden, indem z.B. ein gepulstes Hochspannungssignal an parallele metallische Flächen gelegt wird, die sich basierend auf dem elektrostatischen Effekt aufeinander zu oder voneinander weg bewegen können. Dadurch kann ein Druck in einer Kammer zwischen den geladenen Flächen schnell erhöht bzw. gesenkt werden und somit den gewünschten Modulationsstrahl bzw. einen Puls des Modulationsstrahls erzeugt.
Die Aktuatoren können auf mehrere Bereiche des Rotorblatts verteilt werden. Insbesondere können kleinere Aktuatoren vorgesehen sein, die im Wesentlichen parallel bzw. gleichzeitig zueinander betrieben werden.
Zur Erhöhung der Wirksamkeit der Modulation kann der ablösende Modulationsstrahl eher am Ende des Rotorblattes, der anlegende Modulationsstrahl etwas in Richtung der Narbe versetzt eingesetzt werden.
Beispielsweise kann ein Rückfluss eines Luftstroms in die Kammer mittels eines Ventils verhindert werden. Der Modulationsstrahl kann über eine Öffnung einer Anströmkante des Rotorblatts, insbesondere an oder in der Nähe der Spitze des Rotorblatts, in die Kammer gelangen.
Auch ist es eine Option, dass unter Druck gesetzte Luft über die Nabe der Windturbine bereitgestellt wird.
Der Modulationsstrahl kann weiterhin mit dem turbulenten Luftstrom in der Nähe des Rotorblatts zusammenwirken.
Insbesondere ist es von Vorteil, ein Modell basierend auf einem Ansatz des Bestärkenden Lernens ("Reinforcement Learning") einzusetzen, um eine optimierte Steuerstrategie aus Betriebs-Daten zu lernen.
Die hier vorgestellte Lösung nutzt insbesondere eine aktive Steuerung des Luftstroms entlang der Windturbine. Diese Art der aktiven Steuerung ermöglicht die Beeinflussung des Auftriebs des Rotorblatts ohne eine (schnelle) Bewegung bzw. Beschleunigung großer Massen, z.B. des Rotorblatts oder eines Teils davon.
Lernende Verfahren, z.B. neuronale Netze und Bestärkendes Lernen können eingesetzt werden, um eine Dynamik der aktiven Luftstromkontrolle sowie nichtlineare Abhängigkeiten mit umgebenen Luftströmen, Luftströmen entlang des Rotorblatts und Biegungen des Rotorblatts geeignet abzubilden bzw. zu modellieren.
Luftkammern innerhalb des Rotorblatts, die z.B. durch übereinander angeordnete Schichten elektrisch leitender Materialien ausgeführt sein können, erlauben eine Erzeugung von Luftpulsen, indem ein Hochspannungssignal unter Ausnutzung des elektrostatischen Effekts eingesetzt wird, um das Volumen der Luftkammern zu verändern.
Dieser Ansatz ist robust gegenüber Störungen und ausgesprochen energieeffizient. Der (pulsierende) Luftstrom kann unter unterschiedlichen Winkeln austreten und auf den äußeren (die Windturbine antreibenden) Luftstrom einwirken, um beispielsweise eine Lastverteilung zu steuern und/oder die Wirkung von Turbulenzen, Böen oder Scherwinden zu lindern.
Zusätzlich kann das beschriebene Verfahren eingesetzt werden, um

– durch überwiegend anliegend wirkende Modulationsstrahle die aerodynamische Effizienz des Profils, des Rotorblattes und damit der gesamten Windturbine zu steigern;
– eine Verringerung der mit der turbulenten Strömungsablösung verbundenen Geräuschemissionen zu erreichen und so Windturbinen leiser zu betreiben.

Die Steuerung mittels des (pulsierenden) Luftstroms muss dabei nicht über die ganze Länge des Rotorblatts, sondern kann beispielsweise in einem äußeren Bereich des Rotorblatts erfolgen. Dies ist von Vorteil, weil die Belastung in der Nähe der Spitze des Rotorblatts die größten Auswirkungen auf die Biegemomente an der Wurzel des Rotorblatts hat.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windturbine 101 mit drei Rotorblättern, wobei nachfolgend beispielhaft eines der Rotorblätter 103 betrachtet wird. Die Rotorblätter sind an einer Nabe bzw. an einem Rotorkopf 102 befestigt. Beispielhaft zeigt 1 eine durch den Wind hervorgerufene Drehrichtung 106 der Windturbine.
Das Rotorblatt 103 weist Kammern 104, 105 auf, anhand derer über Öffnungen ein Luftstrom an die Oberfläche des Rotorblatts geleitet werden kann. Dies wird nachfolgend näher erläutert.
2 zeigt einen schematischen Ausschnitt des Rotorblatts 103 mit den Kammern 104 und 105. Anhand der nachfolgend erläuterten Manipulation von Luftströmen aus den Kammern 104 und 105 ist es möglich, die auf das Rotorblatt 103 wirkende Belastung bzw. Biegung zu beeinflussen und insbesondere nachteiligen Belastungen des Rotorblatts 103 entgegenzuwirken.
Beispielhaft wird ein Luftstrom 201 von außen in die Kammer 105 geführt. Die Größe bzw. das Volumen der Kammer 105 ist mittels einer elektrischen Spannung U_CU verstellbar. Beispielsweise können hierzu zwei gegeneinander verstellbare metallische Platten anhand des elektrostatischen Effekts über die Spannung U_CU aufeinander zu oder voneinander weg bewegt und so das Volumen der Kammer 105 schnell verändert bzw. eingestellt werden. In dem in 2 gezeigten Beispiel wird mittels der Kammer 105 ein Strömungsabriss einer Strömung entlang des Rotorblatts 103 bewirkt.
Ein Luftstrom 202 wird von außen in die Kammer 104 geführt. Das Volumen bzw. die Größe der Kammer 104 ist ebenfalls mittels einer elektrischen Spannung U_CL schnellverstellbar. Entsprechend den vorstehenden Ausführungen und unter Ausnutzung des elektrostatischen Effekts ist es möglich, dass über die Spannung U_CL ein Überdruck und damit austretender Luftstrahl und in dessen Wirkung wieder eine laminare Umströmung entsteht und die äußere Luftströmung an das Rotorblatt 103 herangezogen wird.
Hierbei sei angemerkt, dass das Volumen der Kammern 104, 105 beispielhaft unter Ausnutzung des elektrostatischen Effekts verstellt wird. Es sich auch andere Mechanismen möglich, z.B. mittels elektrischer Aktuatoren, um das Volumen der Kammern 104, 105 z.B. anhand einer elektrischen Energie zu beeinflussen.
3 zeigt schematisch einen Schnitt durch das Rotorblatt 103. An einer Innenwand 310 des Rotorblatts 103 ist eine Metallfläche 301, z.B. eine elektrisch leitfähige Beschichtung oder ein Metallstreifen, vorgesehen, in dessen Randbereichen mehrere Distanzstücke 304 angeordnet sind und über den Distanzstücken 304 befindet sich eine isolierte metallische Membran 302. Diese Anordnung aus Metallfläche 301, Distanzstücke 304 und isolierter metallischer Membran 302 ergibt eine Kammer, deren Volumen durch Anlegen einer elektrischen Spannung U_CU aufgrund des elektrostatischen Effekts verändert werden kann. Diese Kammer weist eine Öffnung 303 in dem Außenraum (in die äußere Umgebung des Rotorblatts 103) auf, so dass durch Anlegen der elektrischen Spannung U_CU das Volumen der Kammer reduziert und ein Modulationsstrahl 309 (Luftstrom) durch die Öffnung 303 nach außen geführt werden kann. Hierbei wirkt verursacht durch die elektrische Spannung U_CU die folgende Kraft F auf das in der Kammer gespeicherte Luftvolumen:
wobei C eine Kapazität und d einen Abstand zwischen der metallischen Membran 302 und der Metallfläche 301 bezeichnen.
Die Öffnung 303 ist so ausgerichtet, dass der Modulationsstrahl 309 ein Abreißen einer Strömung bewirkt. Insbesondere ist der Modulationsstrahl 309 entgegen die an dem Rotorblatt anliegende Luftströmung 307 ausgerichtet. Dies führt dazu, dass die laminar anliegende Luftströmung 307 abreißt und in einen turbulent abgelösten Luftstrom 308 übergeführt wird. Hierdurch kann die Belastung auf das Rotorblatt 103 reduziert werden.
Der Luftstrom 201 wird entlang einer Führung 305 in die Kammer, also den Raum zwischen der metallischen Membran 302 und der Metallfläche 301 geführt. Hierzu kann z.B. eine weitere Öffnung vorgesehen sein, über die Luft in das Innere des Rotorblatts 103 gelangen kann.
4 zeigt ebenfalls schematisch einen Schnitt durch das Rotorblatt 103, wobei hier der umgekehrte Fall veranschaulicht wird, d.h. dass ein Luftstrom 401, der nicht laminar entlang des Rotorblatts 103 verläuft, so beeinflusst wird, dass sich aufgrund einer Sogwirkung zumindest teilweise und für eine bestimmte Zeit auch ein laminarer Luftstrom 402 ergibt.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die gemäß 3 beschriebene Anordnung eine Öffnung 403 aufweist, die so ausgerichtet ist, dass ein Modulationsstrahl 405 (Luftstrom) aus der Kammer geblasen wird, der bewirkt, dass der Luftstrom 402 nach kurzer Zeit laminar entlang der Außenfläche des Rotorblatts 103 verläuft. Beispielsweise ist hierfür die Öffnung 403 derart ausgestaltet, dass der Modulationsstrahl 405 in Richtung des Luftstroms 401, 402 gerichtet ist.
Die Kammer entspricht ansonsten weitgehend der Ausgestaltung gemäß 3. Das Volumen der Kammer kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung U_CL aufgrund des elektrostatischen Effekts verändert werden. Durch Anlegen der elektrischen Spannung U_CL wird das Volumen der Kammer reduziert und der Modulationsstrahl 405 durch die Öffnung 403 nach außen geführt. Hierbei wirkt verursacht durch die elektrische Spannung U_CL eine Kraft F auf das in der Kammer gespeicherte Luftvolumen:
wobei C eine Kapazität und d einen Abstand zwischen der metallischen Membran 302 und der Metallfläche 301 bezeichnen.
Der Luftstrom 202 wird entlang einer Führung 305 in die Kammer, also den Raum zwischen der metallischen Membran 302 und der Metallfläche 301 geführt. Hierzu kann z.B. eine weitere Öffnung vorgesehen sein, über die Luft in das Innere des Rotorblatts 103 gelangen kann.
Hierbei sei angemerkt, dass z.B. die Kammer 105 zur Realisierung eines Strömungsabrisses gemäß 3 und die Kammer 104 zur Realisierung einer laminaren Strömung gemäß 4 ausgeführt sein kann.
Weiterhin können die Modulationsstrahlen 309, 405 kontinuierliche Luftströme oder pulsierende Luftströme sein. Insbesondere kann durch Ansteuerung mit einer geeigneten oszillierenden Spannung die Kammer einen pulsierenden Luftstrom bereitstellen.
Beispielsweise kann ein Rückfluss eines Luftstroms in die Kammer mittels eines Ventils (nicht dargestellt) verhindert werden.
5 zeigt einen schematischen Ausschnitt des Rotorblatts 103 mit den Kammern 104 und 105, wobei die Kammer 104 durch einen Luftstrom 501 und die Kammer 502 durch einen Luftstrom 502 gespeist wird. Die Luftströme 501 und 502 können von der Nabe oder dem Rotorkopf der Windturbine in die Kammern 104, 105 geführt werden. Somit kann z.B. über die Windturbine komprimierte Luft in Form der Modulationsstrahlen bereitgestellt werden. Auch ist es möglich, dass die Luftströme 501, 502 separat oder zusammengefasst ausgeführt sind.
Die Ansteuerung der Windturbine kann somit insbesondere auch unter Berücksichtigung der Ansteuerung der Modulationsstrahlen 309, 405 erfolgen. Hierbei kann eine Totzeit berücksichtigt werden, die erforderlich ist, ehe eine begonnene Ansteuerung mittels des Modulationsstrahls eine Wirkung zeigt. Beispielsweise kann es eine gewisse Zeit dauern bis sich aufgrund der Modulationsstrahlen die Belastung des Rotorblatts ändert. Diese Zeitdauer kann berücksichtigt werden, um eine unpassende oder zu starke Ansteuerung zu verhindern.
Die Bewegung des Rotorblatts selbst unterliegt beispielsweise einer Vielzahl unterschiedlicher Einflussgrößen. Dies ist vorzugsweise mittels einer geeigneten Modellierung zu berücksichtigen. Insbesondere können zur Ansteuerung der Modulationsstrahlen auch die folgenden Parameter berücksichtigt werden:

– Geschwindigkeit der Spitze des Rotorblatts;
– Neigungswinkel des Rotorblatts;
– Windgeschwindigkeit;
– Drehzahl des Rotors;
– Ausrichtung der Windturbine zur Windrichtung.

Diese Parameter können beispielsweise mittels des Modells erlernt werden.
Als Lernalgorithmus kann beispielsweise eines der folgenden Verfahren eingesetzt werden:

– ein NFQ-Verfahren,
– ein RCNN und/oder
– ein PGNRR-Verfahren.

Somit ist es möglich, die Spannungen zur Ansteuerung der Modulationsstrahlen basierend auf einem RCNN zu bestimmen, wobei beispielsweise als Eingangsparameter

(a) eine Belastung des Rotorblatts,
(b) ein Windzustand,
(c) eine erwartete maximale Auslenkung oder Biegung des Rotorblatts

Die Belastung des Rotorblatts (a) und der Windzustand (b) können mittels eines neuronalen Netzes mit Markov-Zuständen modelliert werden in Abhängigkeit der folgenden Parameter:

– Blatt-Anstellwinkel,
– Umdrehungsgeschwindigkeit (z.B. Umdrehungen pro Minute),
– Ausrichtung der Turbine zur Windrichtung,
– Windgeschwindigkeit,
– Beschleunigungswerte und Richtungen der Gondel der Windturbine;
– Turbulenz des Windes;
– Scherwinde.

Die erwartete maximale Auslenkung oder Biegung des Rotorblatts (c) wird z.B. mittels eines rekurrierenden neuronalen Netzes (RNN: "recurrent neural network") prognostiziert unter Berücksichtigung mindestens eines der folgenden Parameter:

– Belastung des Rotorblatts;
– Neigungswinkel des Rotorblatts;
– Umdrehungsgeschwindigkeit;
– Windgeschwindigkeit
– Luftdichte.

Diese Parameter werden zumindest teilweise (oder alle) für eine vorgegebene Zeitdauer berücksichtigt, d.h. insbesondere über ein Zeitintervall, so dass auch vergangene Werte in die Modellierung einfließen können.
6 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine Ansteuerung einer Windturbine 601 insbesondere mittels der Spannungen zur Ansteuerung der hier erläuterten Modulationsstrahlen veranschaulicht.
Von der Windturbine 601 werden Turbinen- und Winddaten einem RNN 603 bereitgestellt, das eine Vorhersage der Belastung bzw. Biegung für ein Rotorblatt der Windturbine ermittelt. Weiterhin werden die Turbinen- und Winddaten auch einem neuronalen Netz 602 bereitgestellt, das als Zustandsschätzer für einen Belastungszustand und einen Windzustand dient. Die von dem neuronalen Netz 602 ermittelten Zustände als auch die von dem RNN 603 vorhergesagte Belastung werden einem RCNN 604 bereitgestellt, das basierend auf diesen Informationen Spannungen zur Ansteuerung der hier erläuterten Kammern zur Bereitstellung der Modulationsstrahlen bestimmt und die Aktuatoren der Kammern in dem Rotorblatt der Windturbine 601 entsprechend ansteuert.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

"Neural Fitted Q Iteration", siehe: M. Riedmiller: Neural Fitted Q Iteration – First Experiences with a Data Efficient Neural Reinforcement Learning Method. In Proc. of the European Conf. on Machine Learning, 2005 [0005]
Recurrent Control Neural Network", siehe: A.M. Schaefer, S. Udluft, and H.-G. Zimmermann. A Recurrent Control Neural Network for Data Efficient Reinforcement Learning. In Proc. of the IEEE International Symposium on Approximate Dynamic Programming and Reinforcement Learning, 2007 [0005]
A. M. Schäfer, D. Schneegaß, V. Sterzing, and S. Udluft. A Neural Reinforcement Learning Approach to Gas Turbine Control. International Joint Conference on Neural Networks, 2007 [0005]
"Policy Gradient Neural Rewards Regression", siehe: D. Schneegaß, S. Udluft, and Th. Martinetz. Improving Optimality of Neural Rewards Regression for Data-Efficient Batch Near-Optimal Policy Identification. In Proc. of the International Conf. on Artificial Neural Networks, 2007 [0005]
vgl. H. G. Zimmermann, R. Neuneier und R. Grothmann: "Modeling of Dynamical Systems by Error Correction Neural Networks" in "Modeling and Forecasting Financial Data, Techniques of Nonlinear Dynamics", A. Soofi und L. Cao, Kluwer Academic Publishers, Seiten 237–263, 2002 [0025]
H. G. Zimmermann, R. Grothmann, A. M. Schaefer und Ch. Tietz: "Identification and Forecasting of Large Dynamical Systems by Dynamical Consistent Neural Networks" in "New Directions in Statistical Signal Processing: From Systems to Brain", MIT Press, 2006, Seiten 203–242 [0025]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Windturbine mit mindestens einem Rotorblatt, – bei dem ein Modulationsstrahl aus mindestens einer Kammer des Rotorblatts geleitet wird, um einen Luftstrom entlang des Rotorblatts zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Modulationsstrahl aus dem Rotorblatt im Wesentlichen in Richtung eines entlang des Rotorblatts verlaufenden Luftstroms verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Modulationsstrahl aus dem Rotorblatt im Wesentlichen entgegen einer Richtung eines entlang des Rotorblatts verlaufenden Luftstroms verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Volumen der Kammer mittels einer elektrischen Spannung elektrostatisch, insbesondere über einen elektrisch betreibbaren Aktuator, verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand eines nichtlinearen aus Daten erlernten Modells, insbesondere eines neuronalen Netzes, eine Stärke, ein Beginn und/oder eine Dauer einer erwarteten Laständerung des mindestens einen Rotorblatts prognostiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Strategie zur Prognose, Planung und/oder Steuerung des Modulationsstrahls erlernt und entsprechend dieser Strategie der Modulationsstrahl angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in der Strategie zur Steuerung des Modulationsstrahls mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: – eine Belastung des Rotorblatts; – eine Auslenkung des Rotorblatts; – ein Blattanstellwinkel; – eine Rotordrehzahl; – eine Turbinenausrichtung zum Wind; – eine Windgeschwindigkeit; – Scherwinde; – eine Luftdichte; – eine Temperatur; – Turbulenzen oder Bedingungen, die zu Turbulenzen führen können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Rotorblatt mehrere Kammern aufweist, die jeweils gemeinsam oder getrennt voneinander angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kammer ein Volumen aufweist, das zumindest teilweise zwischen zwei metallischen Flächen angeordnet ist und das mittels eines elektrostatischen Effekts über eine elektrische Spannung verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Modulationsstrahl kontinuierlich oder pulsierend erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Modulationsstrahl über ein Ventil aus mindestens einer Kammer des Rotorblatts geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Modulationsstrahl anhand von Luft, die über eine Zuleitung in die Kammer gelangt, erzeugt wird, – wobei die Zuleitung über die Nabe der Windturbine mit komprimierter Luft gespeist wird und/oder – wobei die Zuleitung über eine Zuführöffnung in dem Rotorblatt mit Luft gespeist wird.
Rotorblatt – aufweisend eine Kammer, die über eine Zuleitung mit Luft versorgbar ist, – aufweisend einen Aktuator, anhand dessen das Volumen der Kammer einstellbar ist, – eine Öffnung, anhand derer die Kammer mit dem Außenraum verbunden ist.
sRotorblatt nach Anspruch 13, bei dem der Aktuator übereinander angeordnete Schichten elektrisch leitender Materialien umfasst, anhand derer ein Modulationsstrahl erzeugbar ist, indem eine elektrische Spannung unter Ausnutzung des elektrostatischen Effekts eingesetzt wird, um das Volumen der Kammer zu verändern.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem über ein Ventil die Kammer über die Öffnung mit dem Außenraum verbunden ist.
Vorrichtung zur Ansteuerung mindestens einer Windturbine mit je mindestens einem Rotorblatt mit einer Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass – ein Modulationsstrahl aus mindestens einer Kammer des Rotorblatts leitbar ist, um einen Luftstrom entlang des Rotorblatts zu verändern.
Windturbine mit mindestens einem Rotorblatt gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15 und/oder mit mindestens einer Vorrichtung gemäß Anspruch 16.