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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage, auf ein entsprechendes Verfahren sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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An einem Rotorblatt einer Windkraftanlage resultiert im Betrieb eine Kraft, die eine Komponente quer zum Wind und eine Komponente in Windrichtung aufweist. Beide Komponenten können eine unerwünschte Verformung des Rotorblatts hervorrufen. Sensoren zur Messung der Rotorblattverformung einer Windenergieanlage basieren auf Dehnmessstreifen. Dieses Messprinzip setzt auf eine Messschicht, die auf dem Rotorblatt aufgebracht ist, z. B. geklebt ist und sich aufgrund der mechanischen Spannung im Blatt dehnt. Bei elektrischen Messstreifen werden elektrische Widerstände aufgebracht, die aufgrund ihrer Dehnung ihren Wert verändern. Bei optischen Messstreifen wird durch die Dehnung der Brechungsindex entlang einer Glasfaser derart moduliert, dass sich in Abhängigkeit der Dehnung unterschiedliche Filtercharakteristiken ergeben (s. g. Fiber Bragg). Diese Messprinzipien sind in beiden Fällen verschleißbehaftet, da die Anzahl der Dehnvorgänge mit den mechanischen Lasten am Rotorblatt übereinstimmen. Weiterhin sind beide Verfahren gegen lokale Streuungen der mechanischen Eigenschaften des Blatts empfindlich, z. B. aufgrund einer lokal höheren Faserkonzentration. Letztlich müssen bei diesen Messverfahren die Sensoren im Rotorblatt aufgebracht werden, wobei die Güte der Anbindung am Rotorblatt entscheidend für die Messgüte ist. Die Vibrationsbelastung im Rotorblatt beansprucht somit auch die Sensoren, was die Lebensdauer der Sensoren beeinflusst.
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DE 100 65 314 B4 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung des Zustands von Rotorblättern an Windkraftanlagen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage, ein entsprechendes Verfahren sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage, ein entsprechendes Verfahren sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
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Eine Verformung eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage kann berührungslos gemessen werden. Dazu kann ein Sender, der ausgebildet ist, um ein Signal auszustrahlen, beabstandet zu dem Rotorblatt angeordnet werden. An dem Rotorblatt kann ein Reflektor zum Reflektieren des Signals angeordnet werden. Das von dem Reflektor reflektierte Signal kann von einem Empfänger empfangen werden, der wiederum beabstandet zu dem Rotorblatt angeordnet ist. Durch eine Kombination von bezüglich des ausgesendeten Signals und des empfangenen Signals bekannten oder erfassten Daten kann eine Laufzeit des Signals zwischen dem Sender, dem Reflektor und dem Empfänger bestimmt werden. Aus der Laufzeit kann wiederum ein Abstand oder eine Abstandsänderung zwischen dem Reflektor auf der einen Seite und dem Sender und dem Empfänger auf der anderen Seite bestimmt werden. Wenn eine Position des Senders und des Empfängers bekannt ist, kann aus dem Abstand oder der Abstandsänderung die Verformung des Rotorblatts oder zumindest eine Komponente einer Verformung des Rotorblatts bestimmt werden. Der Sender und der Empfänger können in einer Einheit, beispielsweise in einem Sensor zusammengefasst sein. Somit können beispielsweise bekannte an dem Rotorblatt angeordnete Sensoren auf Basis eines berührungslosen Messprinzips ersetzt werden. Die Verformung, insbesondere eine Biegung des Flügels kann erkannt werden, um eine Vermeidung von Überlastung durch Lastreduktion zu ermöglichen und dennoch die Anlage wirtschaftlich mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben.
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Das zugrunde liegende Messprinzip kann auf Radarsensoren basieren, die außerhalb des Blatts platziert, sodass die berührungslose Messung der Rotorblattverformung ermöglicht wird. Solche Sensoren können zusätzliche Informationen über die Anlagen liefern, wie beispielsweise Informationen über eine Rotorunwucht, etc.
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Ein solches berührungsloses Messprinzip ist verschleißfrei und unempfindlich gegen lokale Streuungen der mechanischen Eigenschaften des Blatts. Der Reflektoren kann auf unterschiedliche Weise an dem Rotorblatt angeordnet oder als reflektierender Teil des Rotorblatts selbst ausgeführt sein. Indem der Sensor beabstandet von dem Rotorblatt angeordnet ist, kann er vor Vibrationsbelastungen im Rotorblatt und vor Blitzschlag geschützt werden. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Sensoren aus.
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Mit dem Reflektor kann eine rein passive Komponente in besonders belasteten Bereichen eines Rotorblatts angeordnet werden, um Verformungen des Rotorblatts erfassen zu können. Alternativ kann ein aktiver Reflektor eingesetzt werden, der ein einfallendes Signal verstärkt oder verändert reflektieren kann. Ein zugehöriger Sensor kann außerhalb des Rotors angeordnet werden und ausgebildet sein, um eine Position des Reflektors relativ zum Sensor drahtlos zu erfassen. Beispielsweise kann der im oder am Rotorblatt angeordnete Reflektor retroreflektierende Strukturen für Radarwellen aufweisen. In diesem Fall kann der Sensor ein Radarsensor sein, der über eine Laufzeit der Radarwellen eine Distanz zwischen dem Radarreflektor und dem Radarsensor bestimmen kann, um die Verformung des Rotorblatts zu bestimmen. Alternativ zu Radarwellen können andere elektromagnetische Signale, beispielsweise Lichtsignale oder Funksignale eingesetzt werden.
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Eine Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage weist die die folgenden Merkmale auf:
einen Reflektor für elektromagnetische Wellen, der an einem Messpunkt des Rotorblatts angeordnet ist;
einen Sensor, der dazu ausgebildet ist, ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung eines Bereichs des Rotors auszusenden und ein an dem Reflektor reflektiertes Empfangssignal zu empfangen; und
eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Verformung unter Verwendung des Sendesignals und des Empfangssignals zu ermitteln, wenn sich der Reflektor in dem Bereich befindet.
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Unter einer Verformung eines Rotorblatts kann eine Veränderung einer Gestalt des Rotorblatts aus einer Normallage heraus verstanden werden. Beispielsweise kann die Verformung eine Verdrehung, eine Biegung und/oder eine Streckung sein. Eine elektromagnetische Welle kann eine Funkwelle oder eine Radarwelle sein. Ein Reflektor für elektromagnetische Wellen kann eine Einrichtung zum Zurückwerten einfallender elektromagnetischer Wellen in eine Einfallsrichtung sein. Beispielsweise kann der Reflektor als ein retroreflektierender Winkelreflektor ausgebildet sein. Der Reflektor kann metallische oder metallisierte Reflexionsoberflächen aufweisen. Der Reflektor kann in das Rotorblatt eingearbeitet sein. Beispielsweise kann der Reflektor im Inneren des Rotorblatts angeordnet sein. Ein Messpunkt kann ein besonders relevanter Punkt des Rotorblatts sein, beispielsweise weil an dem Messpunkt für das Rotorblatt charakteristische Auslenkungen gemessen werden können. Beispielsweise kann der Messpunkt im Bereich eines freien Endes des Rotorblatts, im Bereich einer maximalen Auslenkung des Rotorblatts bei einer ersten Schwingungsmode oder im Bereich einer zweiten Schwingungsmode des Rotorblatts angeordnet sein. Der Reflektor kann unempfindlich für äußere Einwirkungen sein, da der Reflektor frei von Elektronik sein kann. Beispielsweise kann der Reflektor unempfindlich für Blitzschlag sein. Ein Sensor kann eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne aufweisen. Der Sensor kann eine Mehrzahl von Sendeantennen und/oder Empfangsantennen aufweisen. Sendeantenne und Empfangsantenne können im gleichen Bauteil zu einer Sende- und Empfangsantenne zusammengefasst sein. Der Sensor kann eine Richtcharakteristik aufweisen. Dadurch kann der Sensor einen wirksamen Sende- und/oder Empfangsbereich aufweisen. Der Rotor bzw. ein Rotorkreis kann zum Teil oder ganz innerhalb des Sende- und/oder Empfangsbereichs angeordnet sein. Ein Sendesignal kann ein ausgesandtes Signal sein. Ein Empfangssignal kann ein empfangenes Signal sein. Wenn sich der Reflektor mit dem Rotorblatt innerhalb des Sende- und/oder Empfangsbereichs befindet, kann das Empfangssignal zum Sensor zurückreflektiert werden. Die Verformung kann über eine Bestimmung eines Abstands zwischen dem Reflektor und dem Sensor ermittelt werden. Der Sensor kann von dem Rotor abgesetzt an der Windenergieanlage angeordnet sein und auf den Rotor ausgerichtet sein.
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Der Sensor kann im Bereich eines rotorabgewandten Endes einer Gondel der Windenergieanlage angeordnet sein. Eine Gondel kann ein drehbar auf einem Mast der Windenergieanlage gelagertes Maschinengehäuse sein. Ein rotorabgewandtes Ende der Gondel kann ein Bereich sein, der an einer Hinterkante der Gondel angeordnet ist. Durch eine Platzierung des Sensors möglichst weit von dem Rotor entfernt, verbessert sich ein Erfassungswinkel des Sensors.
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Der Sensor kann an einem Mast der Windenergieanlage angeordnet sein. Von dem Mast kann der Rotor näherungsweise senkrecht zu einer Rotorebene erfasst werden. Eine senkrechte Erfassung bietet eine hohe Genauigkeit der Messung. Beispielsweise kann der Sensor auf einer Höhe eines unteren Rands eines Flugkreises des Reflektors an dem Mast angeordnet sein.
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Der Sensor kann den Mast vollumfänglich umschließen. Durch eine ringförmige Gestalt des Sensors kann der Sensor ohne bewegliche Teile ausgeführt werden. Der Sensor kann beispielsweise sektorweise aktiviert werden, um Energie einzusparen.
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Die Vorrichtung kann zumindest einen weiteren Sensor aufweisen, der dazu ausgebildet ist, ein weiteres elektromagnetisches Sendesignal in Richtung eines weiteren Bereichs des Rotors auszusenden und ein an dem Reflektor oder einem weiteren Reflektor reflektiertes weiteres Empfangssignal zu empfangen. Dabei kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, die Verformung unter Verwendung des weiteren Sendesignals und des weiteren Empfangssignals zu ermitteln, wenn sich der Reflektor oder der weitere Reflektor in dem weiteren Bereich befindet. Die Auswerteeinrichtung kann einen weiteren Abstand zwischen dem Reflektor oder dem weiteren Reflektor und dem weiteren Sensor bestimmen, um die Verformung zu ermitteln. Der Bereich und der weitere Bereich des Rotors können voneinander beabstandet sein oder sich überschneiden. Die Vorrichtung kann so viele Sensoren aufweisen, dass elektromagnetische Signale zu einem Großteil des Rotors bzw. des Rotorkreises ausgesandt werden können. Dadurch kann die Verformung des Rotors bzw. des Rotorblatts über den ganzen Flugkreis ermittelt werden. Der weitere Sensor kann zwischen dem Sensor und der Gondel am Mast angeordnet sein. Der weitere Sensor kann dazu ausgebildet sein, einen weiteren Abstand zwischen dem weiteren Sensor und einem weiteren Messpunkt zu erfassen, wobei der weitere Sensor auf Höhe eines unteren Rands eines weiteren Flugkreises eines weiteren Reflektors angeordnet sein kann.
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Die Vorrichtung kann zumindest einen weiteren Reflektor für elektromagnetische Wellen aufweisen, der an einem weiteren Messpunkt auf dem Rotorblatt angeordnet ist. Der Sensor kann dazu ausgebildet sein, ein an dem weiteren Reflektor reflektiertes weiteres Empfangssignal zu empfangen, wobei die Auswerteeinrichtung, dazu ausgebildet ist, die Verformung unter Verwendung des Sendesignals und des weiteren Empfangssignals zu ermitteln, wenn sich der weitere Reflektor in dem Bereich befindet. Die Auswerteeinrichtung kann einen weiteren Abstand zwischen dem weiteren Reflektor und dem Sensor ermitteln, um die Verformung zu bestimmen. An einem Rotorblatt können mehrere Reflektoren befestigt sein. Mit mehreren Reflektoren kann die Verformung eines Rotorblatts besonders exakt erfasst werden. Beispielsweise können zwei oder mehr Reflektoren über die Länge des Rotorblatts verteil angeordnet sein. Auch können zwei oder mehr Reflektoren an für Schwingungsmoden des Rotorblatts charakteristischen Messpunkten angeordnet sein. Die Reflektoren können auch auf mehrere Rotorblätter verteilt angeordnet sein. Auf diese Weise kann der Sensor das reflektierte Sendesignal aufeinanderfolgend von Reflektoren unterschiedlicher Rotorblätter empfangen. Auf diese Weise können die Verformungen der unterschiedlichen Rotorblätter erfasst werden.
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Die Auswerteeinrichtung kann ferner dazu ausgebildet sein, einen Schwingungszustand des Rotorblatts zu ermitteln. Ein Schwingungszustand kann eine Schwingung des Rotorblatts mit einer Resonanzfrequenz des Rotorblatts sein. Beispielsweise kann das Rotorblatt periodisch im Bereich der Resonanzfrequenz angeregt werden. Dadurch kann sich eine große Verformung ergeben. Die Reflektoren können beispielsweise an besonders schwingungsgefährdeten Punkten des Rotorblatts angeordnet sein. Besonders schwingungsgefährdet können beispielsweise Extrempunkte von Schwingungsmoden, auch als harmonischen Eigenschwingungen bezeichnet, sein.
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Die Vorrichtung kann einen Bewegungssensor aufweisen, der an dem Rotor angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine Drehrate des Rotors und zusätzlich oder alternativ eine Beschleunigung des Rotors zu ermitteln. Dabei kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, die Verformung ferner unter Verwendung der Drehrate und zusätzlich oder alternativ der Beschleunigung zu ermitteln, wenn sich der Reflektor außerhalb des Bereichs befindet. Über eine Drehrate und/oder Beschleunigungen am Rotor kann eine Position des Rotorblatts oder der Rotorblätter außerhalb des vom Sensor erfassten Bereichs bestimmt werden. Ein Drehratensensor kann in der Nähe der Blattwurzel des Rotorblatts angeordnet sein. Durch zusätzliche Sensorinformationen des Bewegungssensors kann die Windkraftanlage sicher überwacht werden.
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Der Reflektor kann aus Metall ausgeführt sein. Beispielsweise kann der Reflektor durch eine Metallfolie gebildet sein. In diesem Fall kann es sich um eine einfache oder um eine strukturierte Metallfolie handeln. Der Reflektor kann als ein diskretes Element ausgeführt sein. Der Reflektor kann ein Material aufweisen, das sich von einem angrenzenden Material des Rotorblatts unterscheidet. Der Reflektor kann eine Struktur aufweisen, die sich von einer angrenzenden Struktur des Rotorblatts unterscheidet. Der Reflektor kann in Bezug auf das elektromagnetische Sendesignal eine effektivere Reflexionsfläche als eine angrenzende Fläche des Rotorblatts bilden. Der Reflektor kann eine Struktur oder Strukturen zur Winkelreflexion aufweisen. Somit kann der Reflektor als Winkelreflektor ausgeführt sein. Ein solcher Winkelreflektor kann im Rotorblatt angeordnet sein. Auch kann der Reflektor eine Struktur oder Strukturen zur Retroreflexion aufweisen. Der Reflektor kann somit als ein Retroreflektor ausgeführt sein. Durch eine geeignete Strukturierung des Reflektors kann das elektromagnetische Sendesignal zum Sensor zurückreflektiert werden, auch wenn der Reflektor nicht senkrecht zur Einstrahlrichtung des Sendesignals ausgerichtet ist.
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Ein Verfahren zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage umfasst die folgenden Schritte:
Aussenden eines elektromagnetischen Sendesignals in Richtung eines Bereichs des Rotors unter Verwendung eines Sensors;
Reflektieren des Sendesignals unter Verwendung eines Reflektors für elektromagnetische Wellen, wenn der Reflektor in dem Bereich ist, um ein Empfangssignal zu erhalten, wobei der Reflektor an einem Messpunkt des Rotorblatts angeordnet ist;
Empfangen des an dem Reflektor reflektierten Empfangssignals, unter Verwendung des Sensors; und
Ermitteln der Verformung unter Verwendung des Sendesignals und des Empfangssignals.
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Die Schritte des Verfahrens können von geeigneten Einrichtungen, beispielsweise einer Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage umgesetzt werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung einer Windenergieanlage mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 eine Darstellung einer Windenergieanlage mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts 102 eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist einen Reflektor 104, einen Sensor 106 und eine Auswerteeinrichtung 108 auf.
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Der Reflektor 104 ist an einem Messpunkt des Rotorblatts 102 angeordnet. Der Reflektor 104 ist dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen entgegengesetzt zu einer Einfallsrichtung der elektromagnetischen Wellen zu reflektieren. Der Sensor 106 weist eine Antenne 110 auf, die eine Richtcharakteristik aufweist. Der Sensor 106 ist dazu ausgebildet, über die Antenne 110 ein elektromagnetisches Sendesignal 112 in Richtung eines Bereichs des Rotors auszusenden und ein an dem Reflektor 104 reflektiertes Empfangssignal 114 zu empfangen. Die Auswerteeinrichtung 108 ist mit dem Sensor 106 verbunden und ist dazu ausgebildet, die Verformung unter Verwendung des Sendesignals 112 und des Empfangssignals 114 zu ermitteln, wenn sich der Reflektor 104 in dem von dem Sendesignal 112 beaufschlagten Bereich befindet. Der Sensor 106 kann an einer geeigneten Position der Windenergieanlage angeordnet sein.
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Zwischen einem ersten Zeitpunkt des Aussendens des Sendesignals 112 und einem zweiten Zeitpunkt des Empfangens des Empfangssignals 114 verstreicht eine Zeitspanne, die abhängig von einer Entfernung zwischen der Antenne 110 und dem Reflektor 104 ist. Wenn das Rotorblatt 102 verformt wird, ändert sich die Entfernung. Die Zeitspanne ändert sich entsprechend der Entfernungsänderung. Die Auswerteeinrichtung 108 ist ausgebildet, um basierend auf der Änderung der Zeitspanne die Entfernungsänderung zu bestimmen. Ebenso kann die Auswerteeinrichtung 108 ausgebildet sein, um unter Verwendung der aktuellen Laufzeit die aktuelle Entfernung zu bestimmen. Aus der Entfernungsänderung oder der aktuellen Entfernung kann die Verformung des Rotorblatts 102 bestimmt werden. Die Bestimmung der Verformung kann in der Auswerteeinrichtung 108 oder in einer weiteren Einrichtung durchgeführt werden. Unter Verwendung von Parametern des Rotorblatts, wie beispielsweise einem Verlauf eines Biegewiderstandsmoments und zusätzlich oder alternativ einem Verlauf eines Torsionswiderstandsmoments, kann beispielsweise eine Biegelinie des Rotorblatts 102 berechnet werden.
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Werden mehrere Reflektoren 104 und zusätzlich oder alternativ mehrere Sensoren 106 eingesetzt, so kann die Verformung des Rotorblatts 102 unter Verwendung einer oder mehrerer Auswerteeinrichtungen 108 bestimmt werden. Beispielsweise können die Daten mehrerer Sensoren 106 von einer Auswerteeinrichtung 108 verarbeitet werden. Alternativ kann jedem Sensor 106 eine eigene Auswerteeinrichtung 108 zugeordnet sein. Die von einer oder mehreren Auswerteeinrichtungen 108 bestimmten Informationen über die Verformung des Rotorblatts 102 können über eine Schnittstelle an eine zentrale Steuereinrichtung der Windenergieanlage bereitgestellt werden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 kann auf einer Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist ausgeführt werden. Das Verfahren 200 weist einen Schritt des Aussendens 202, einen Schritt des Reflektierens 204, einen Schritt des Empfangens 206 und einen Schritt des Ermittelns 208 auf. Im Schritt 202 des Aussendens wird ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung eines Bereichs des Rotors unter Verwendung eines Sensors ausgesandt. Im Schritt 204 des Reflektierens wird das Sendesignal an einem Reflektor für elektromagnetische Wellen reflektiert, wenn der Reflektor in dem Bereich ist, um ein Empfangssignal zu erhalten. Der Reflektor ist an einem Messpunkt des Rotorblatts angeordnet. Im Schritt 206 des Empfangens wird das an dem Reflektor reflektierte Empfangssignal, unter Verwendung des Sensors empfangen. Im Schritt 208 des Ermittelns wird unter Verwendung des Sendesignals und des Empfangssignals die Verformung ermittelt. Eine ermittelte Information über die Verformung kann beispielsweise zur Steuerung der Windkraftanlage eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Stellung des Rotorblatts unter Verwendung der Information über die Verformung eingestellt werden.
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3 zeigt eine Darstellung einer Windenergieanlage 300 mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts 102 eines Rotors der Windenergieanlage 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung entspricht dabei einer Vorrichtung, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist.
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Die Windenergieanlage 300 weist einen Turm 302 auf, der senkrecht im Boden verankert ist. Auf einem oberen Ende des Turms 302 ist eine Gondel 304 horizontal drehbar gelagert. Durch die Gondel 304 erstreckt sich näherungsweise horizontal eine Rotationsachse 306 des Rotors. Der Rotor weist zumindest zwei Rotorblätter 102 auf, die in einer drehbar in der Gondel 304 gelagerten Rotornabe 308 je um ihre Blattlängsachse drehbar gelagert sind. Insbesondere weist der Rotor drei Rotorblätter 102 auf, die je einen Zwischenwinkel von 120° aufweisen. Mit der Rotornabe 308 ist beispielsweise ein Generator verbunden, der dazu ausgebildet ist, bei einer Drehbewegung des Rotors Energie zu erzeugen. Der Generator ist in der Gondel 304 angeordnet.
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Auf einer Oberseite einer rotorabgewandten Seite der Gondel 304 sind der Sensor 106 und die Auswerteeinrichtung der Vorrichtung zum Erfassen angeordnet. Der Reflektor 104 der Vorrichtung ist nahe einer Blattspitze des zumindest einen der Rotorblätter 102 angeordnet. Der Sensor 106 ist auf einen Bereich des Rotors ausgerichtet, in dem der Reflektor 104 einmal pro Umdrehung zu erwarten ist. Dazu ist ein Erfassungsbereich 310 des Radarsensors beispielsweise größer als 70°, um das ganze Rotorblatt 102 zu erfassen.
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An dem Rotorblatt 102 können weitere Reflektoren angeordnet sein, die hier nicht dargestellt sind. Die größte Auslenkung erfährt das Rotorblatt 102 im Bereich der Blattspitze. Ein größtes Biegemoment erfährt das Rotorblatt 102 nahe der Blattwurzel. Reflektoren zwischen der Blattspitze und einer Blattwurzel im Bereich der Nabe 308 ermöglichen ein Erfassen der Verformung des Blatts mit mehreren Stützstellen. Die Verformung wird unter Verwendung einer bekannten Distanz 312 des Reflektors 104 von der Blattwurzel, einem bekannten Abstand 314 des Sensors 106 von der Blattwurzel und einer ermittelten Entfernung 316 zwischen dem Sensor 106 und dem Reflektor 104 bestimmt. Am rotorabgewandten Ende der Gondel 304 können mehrere Sensoren angeordnet werden, um mit überlappenden Bereichen oder ergänzenden Bereichen den Reflektor 104 während eines Vollumlaufs mit einem Sendesignal beaufschlagen zu können und während des Vollumlaufs das Empfangssignal empfangen zu können.
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Beispielhaft ist an dem unteren gezeigten Rotorblatt 102 eine Verformung des Rotorblatts 102 in Richtung des Mastes 302 gezeigt. Eine entsprechende aktuelle Verformung kann an dem gezeigten oberen Rotorblatt 102 bestimmt werden, das gerade einen Erfassungsbereich des Sensors 106 durchläuft.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 3 ein Messprinzip über Radar, das für eine Windenergieanlage 300 eingesetzt werden kann. Ein Sensor in Form eines Radarsensors 106 beobachtet das Rotorblatt 102 der Windenergieanlage 300. Der Radarsensor 106 erfasst dazu einen oder mehrere auf dem Rotorblatt 102 angebrachte Reflektoren 104. Durch den Radarsensor 106 werden die Positionen der Reflektoren 104 gemessen. In der kontinuierlichen Messung lassen sich Blattschwingungsmoden des Rotorblatts 102 aufzeichnen und analysieren, die für eine Zustandserkennung (condition monitoring) der Windkraftanlage 300 bzw. des Blatts 102 herangezogen werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt ein Einsatz von Radarsensoren 106 am Umfang der Gondel 304. In der Abbildung ist ein Radarsensor 106 dargestellt, der auf einen Reflektor 104 auf dem Rotorblatt 102 zielt. Je nach Dämpfungs- und/oder Reflexionseigenschaften des Rotorblatts 102 können gesonderte Reflektoren 104 entweder auf der äußeren oder auf der inneren Blattoberfläche angebracht werden. Der Radarsensor 106 misst den Abstand 316 zu dem Reflektor 104. Je nach Genauigkeitsanforderungen bzw. Anzahl der betrachteten Verformungsmoden des Rotorblatts 102 reicht die Messung eines Abstands 316 zwischen Radarsensor und Blatt 102, um die Verformung des Blatts 102 zu bestimmen. Durch Anbringung mehrerer Reflektoren 104 können mehrere Verformungsmoden betrachtet werden, bzw. kann die Biegelinie des Rotorblatts 102 mit höherer Genauigkeit gemessen werden. Als Modell für die Biegelinie kann z. B. eine polynomiale Darstellung gewählt werden. Je höher die Ordnung des Polynoms, desto höher die Modellgenauigkeit und desto mehr „Messpunkte” können berücksichtigt werden.
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Je nach Öffnungswinkel des Radarsensors 106 und Platzierung auf der Gondel 304 können mehrere Radarsensoren 104 am Umfang der Gondel 304 angeordnet werden, um den Abstand 316 zu dem Reflektor 104 über eine volle Rotorblattdrehung messen zu können.
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Bei der Anordnung des Radarsensors 106 auf der Gondel 304 mit einer Ausrichtung auf die Flügelspitze ist der Sensor 106 immer richtig auf die Flügel 102 ausgerichtet. Der Sensor misst den Abstand 316 im spitzen Winkel mit einer besonders hohen Auflösung. Damit kann die geforderte Erkennung der Verbiegung eines Flügels 102 sehr gut aufgelöst werden.
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4 zeigt eine Darstellung einer Windenergieanlage 300 mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts 102 eines Rotors der Windenergieanlage 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Windenergieanlage 300 entspricht einer Windkraftanlage, wie sie beispielhaft in 3 dargestellt ist. Zusätzlich oder alternativ zu dem in 3 gezeigten Sensor 106 weist die Vorrichtung einen weiteren Sensor 400 auf, der am Mast 302 der Windenergieanlage 300 angeordnet ist.
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Der weitere Sensor 400 umschließt den Mast 302 und kann rundherum elektromagnetische Wellen aussenden und empfangen. Zum Energiesparen kann der weitere Sensor 400 ein weiteres Sendesignal auf einen rotorzugewandten Winkelbereich beschränkt aussenden. Der weitere Sensor 400 ist ebenfalls mit einer Auswerteeinrichtung der Vorrichtung zum Erfassen einer Verformung zumindest eines Rotorblatts 102 verbunden, wie es beispielsweise anhand von 1 beschrieben ist. Der weitere Sensor 400 ist näherungsweise auf einer Höhe am Mast 302 angeordnet, auf der der Reflektor 104 vor dem Mast 302 passiert, wenn der Rotor dreht. Der weitere Sensor 400 oder die mit dem weiteren Sensor gekoppelte Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, um einen weiteren Abstand zwischen dem Reflektor 104 und dem weiteren Sensor 400 zu ermitteln. Der weitere Abstand wird näherungsweise senkrecht zum Rotorblatt 102 erfasst. Der weitere Sensor 400 kann einen geringeren vertikalen Erfassungsbereich aufweisen, als der Sensor 106 auf der Gondel 304. Der weitere Sensor 400 kann unabhängig zu dem Sensor 106 auf der Gondel 304 oder ergänzend dazu eingesetzt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können mehrere Sensoren 400 eingesetzt werden, die in unterschiedlichen Höhen des Turms 302 angeordnet sind. Entsprechend den Abständen zwischen den Sensoren 400 am Turm 302 können Reflektoren 104 am Rotorblatt 102 angeordnet sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zu zumindest einem der Sensoren 106, 400 ein Bewegungssensor 402 eingesetzt, der an dem Rotor angeordnet ist. Gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Bewegungssensor 402 im Bereich einer Blattwurzel des Rotorblatts 102 angeordnet. Die Daten des Bewegungssensors 402 können verwendet werden, um in Kombination mit den von zumindest einem der Sensoren 106, 400 bereitgestellten Daten die Verformung des Rotorblatts 102 außerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors 400 am Turm 302 und/oder des Sensors 106 auf der Gondel 304 zu ermitteln. Wenn das Rotorblatt 102 im Erfassungsbereich eines der Sensoren 106, 400 ist, kann der Bewegungssensor 402 unter Verwendung den von zumindest einem der Sensoren 106, 400 bereitgestellten Daten justiert werden. Der Bewegungssensor 402 kann beispielsweise ein Drehratensensor (Ω) oder ein Beschleunigungssensor sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 4 eine Alternative zu dem in 3 beschriebenen Einsatz mehrerer Radarsensoren. Dazu bietet sich eine Sensordatenfusion, z. B. mit im Blatt 102 eingebauten Drehraten- bzw. Beschleunigungssensoren 402 an. Als besonders vorteilhafte Ausführung erweist sich die Benutzung von Drehratensensoren 402, denn diese müssen nicht weit im Rotorblatt 102 platziert werden, um ein Messsignal detektieren zu können. Dadurch kann eine aufwendige Verkabelung vermieden und eine Vibrations- und Blitzschlagbelastung gering gehalten werden. Beschleunigungssensoren zur Messung des Winkels zu der Erdschwerkraft bzw. der Fliehkraft bei einer drehenden Anlage benötigen dagegen einen Mindestabstand zu der Rotorachse. Eine entsprechende Ausführung einer Kombination von Radar- und Drehratensensor ist in 4 dargestellt.
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Weitere Daten können aus diesem Messprinzip extrahiert werden, wie z. B. die Rotordrehzahl, zumindest die mittlere Drehzahl, der Abstand zwischen dem Turm 302 und der Rotorblattspitze (je nach geometrischer Ausführung) und die Rotorunwucht, sodass dieses Sensorprinzip auch für andere Zwecke als die Lastreduktion des Rotorblatts 102 eingesetzt werden kann.
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Grobe Geometrieangaben einer Windenergieanlage 300 können beispielsweise eine Flügellänge bis 60 m, eine Gondellänge von 15 m, eine Auslenkung an der Spitze bis zu 4 m sein. Daraus resultiert ein Biegemoment am Flansch. Bei einer Auslenkung von 4 m kann in 60 m Entfernung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 80 m/s lateral/windschief zum Radar eine radiale Änderung eines Reflexes (Flügelspitze) von 1 m besonders gut mit Radar erfasst werden. Der Radarsensor 106 kann einen Öffnungswinkel von ca. 76° aufweisen.
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Wenn das Radar 400 mit am Mast 302 dreht, sodass es immer in Richtung Flügel 102 ausgerichtet ist, kann in einem optimalen Winkel und aus einer kurzen Distanz zwischen dem Sensor 400 und dem Flügel 102 gemessen werden. Die Flügelspitze ist als Ziel leicht zu erkennen. Zur Ausrichtung des Sensors 400 gegenüber der Flügelspitze kann eine Nachführung durchgeführt werden. Die Nachführung kann beispielsweise elektronisch erfolgen. Ebenso ist die Nachführung des Sensors 400 auf einer, den Mast 302 umlaufenden Schiene möglich. Vorteilhaft ist es auch eine, den Mast 302 umlaufende Antenne als Sensor 400 zu montieren. Hierbei kann in alle Richtungen senkrecht vom Mast 302 weg eine gleichzeitige Abstrahlung oder auch ein sektorweiser Betrieb realisiert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann für eine IPC-Regelung für Windkraftanlagen verwendet werden. Für die IPC-Regelung werden die Blattlasten gemessen. Das beschriebene Sensorkonzept mittels Radar-Sensoren 106, 400 lässt sich dafür einsetzen. Condition-Monitoring für Rotorblätter 102 kann mittels Beschleunigungssensoren 402 betrieben werden. Dort kann die beschriebene Radarsensorik 106, 400 ebenfalls alternativ oder ergänzend eingesetzt werden.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 102
- Rotorblatt
- 104
- Reflektor
- 106
- Sensor
- 108
- Auswerteeinrichtung
- 110
- Antenne
- 112
- Sendesignal
- 114
- Empfangssignal
- 200
- Verfahren
- 202
- Schritt des Sendens
- 204
- Schritt des Reflektierens
- 206
- Schritt des Empfangens
- 208
- Schritt des Ermittelns
- 300
- Windenergieanlage
- 302
- Turm
- 304
- Gondel
- 306
- Rotationsachse
- 308
- Nabe
- 310
- Erfassungsbereich
- 312
- Distanz
- 314
- Abstand
- 316
- Entfernung
- 400
- weiterer Sensor
- 402
- Bewegungssensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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