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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Messung einer Auslenkung eines im Wesentlichen langgestreckten, in einer Normalposition im Wesentlichen geradlinig verlaufenden Hohlbauteils einer Windenergieanlage aus der Normalposition sowie eine entsprechend ausgerüstete Windenergieanlage.
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Hohlbauteile im Sinne dieser Erfindung sind solche Bauteile der Windenergieanlage, die im Innern hohl und zugleich im Wesentlichen langgestreckt und geradlinig verlaufend sind. Insbesondere sind die Rotorblätter und der Turm bzw. Turmabschnitte solche Hohlbauteile, sofern letztere, wie heute üblich hohl gestaltet sind.
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Die überwiegende Zahl von Rotorblättern von Windenergieanlagen wird aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Charakteristisch für die Konstruktion von Strukturbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen ist die unterschiedliche Anordnung und Ausrichtung der Fasern in den einzelnen Bereichen des Blattkörpers. Auch können unterschiedliche Fasern wie Glas- und Kohlefasern miteinander kombiniert und sowohl als Massiv- und auch als Sandwich-Laminate verbaut werden. Somit weisen Rotorblätter von Windenergieanlagen eine komplexe und asymmetrische und inhomogene Struktur auf.
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Im Betrieb wird die Blattstruktur sowohl durch das Eigengewicht als auch durch den Wind dynamisch belastet; die Außenhaut ist dem Wetter ausgesetzt; und die Laminate können Feuchtigkeit aufnehmen.
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Es ist daher nicht nur wünschenswert, die Materialstabilität zu überwachen, sondern auch direkte Steuerungsmöglichkeiten auf Basis der Auslenkung Vorzusehen. Dadurch kann nicht nur ein schonender Betrieb, insbesondere bei Volllast, erreicht werden, sondern auch eine Optimierung der Leistung, insbesondere bei Teillast, erreicht werden.
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Dem Problem der messtechnischen Überwachung der Durchbiegung eines Rotorblattes aufgrund des Winddruckes (Auslenkung in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Rotorebene) widmet sich die
DE 10 2006 002 709 . Hier werden in dem Rotorblatt einerseits nabennah, andererseits in Richtung der Blattspitze Bezugspunkte geschaffen, die über ein mechanisches Seilsystem miteinander verbunden werden. Bei einer Auslenkung des Rotorblattes aufgrund des Winddruckes ergibt sich eine Längenveränderung der Seile, die von einer Auswerteeinheit zu einer tatsächlichen Auslenkung berechnet werden. So soll z. B. bei Starkwind oder aber bei Materialermüdung durch Alterung einer zu weitgehenden Auslenkung des Rotorblattes, schlimmstenfalls einer Kollision desselben mit dem Turm, vorgebeugt werden. Das in dieser Druckschrift beschriebene System ist zum einen aufwendig in ein Rotorblatt einzurüsten, insbesondere nur schwer nachrüstbar. Zum anderen ist es in einer Überwachung der Auslenkung des Rotorblattes stets auf die Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Rotorblattebene beschränkt.
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Berührungslos arbeitende System sind beispielsweise aus der
DE 10 2007 059 165 A1 oder
DE 10 2006 002 708 A1 bekannt. Beide Systeme arbeiten jedoch mit der Auswertung von Reflexionen, was eine aufwendige Justage erfordert.
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Auch der Turm einer Windkraftanlage unterliegt Kräften, die das Material, üblicherweise Stahl oder Stahlbeton, belasten. Bei den erheblichen Höhen der heutigen Windenergieanlagen von 100 m und mehr kommt es auch im Bereich der Türme zu messbaren Auslenkungen aufgrund es an der Windenergieanlage angreifenden Winddrucks. Auch hier muss also eine Materialermüdung überwacht und rechtzeitig eine Warnung ausgegeben werden. Zudem ist die Vermessung einer auftretenden Auslenkung auch für die Weiterentwicklung von Material und/oder Konstruktion dieser Bauteile von großem Wert.
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Hier greift die Erfindung ein. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie ein System anzugeben, bei dem die Auslenkung eines Hohlbauteils einer Windkraftanlage aus einer Normalposition mit einfachen und robusten Mitteln festgestellt und zuverlässig überwacht werden kann, je nach Ausgestaltung der Erfindung sogar für unterschiedliche Auslenkungsrichtungen. Dabei soll der Blitzschutz erhalten bleiben.
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Eine verfahrensmäßige Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens finden sich in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9. Ein System, welches diese Aufgabe löst, ist mit den Merkmalen des Anspruches 10 definiert. In den abhängigen Ansprüchen 11 bis 14 sind vorteilhafte Weiterbildungen des Systems angegeben. Eine erfindungsgemäße Windenergieanlage ist in Anspruch 15 angegeben.
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Erfindungsgemäß wird in einem langgestreckten, in einer Normalposition im Wesentlichen gradlinig verlaufenden, Hohlbauteil der Windenergieanlage, verfahrensgemäß eine Lichtabgabevorrichtung an einer ersten Position innerhalb des Hohlbauteils angeordnet, die Licht in einer Ausbreitungsrichtung zu einer innerhalb des Hohlbauteils liegenden zweiten Position abstrahlt. Darüber hinaus wird im Inneren des Hohlbauteils an der zweiten Position eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung des Lichtes angeordnet und eine Messvorrichtung zur Erfassung der Intensitätsverteilung und/oder des Auftreffortes des Lichts an der Erfassungsvorrichtung aufgelöst in zumindest eine Raumrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes vorgesehen. Darüber werden mit der Messvorrichtung kontinuierlich oder in Intervallen Messungen der Intensitätsverteilung und/oder des Auftreffortes des Lichtes vorgenommen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse der Messung in einer Recheneinheit ausgewertet und aus diesen eine jeweils zugehörige Auslenkung des Hohlbauteils aus der Normalposition hinsichtlich der zumindest einen Raumrichtung bestimmt. Gekennzeichnet ist das erfindungsgemäße Verfahren dabei dadurch, dass die erste und die zweite Position in Richtung der Längserstreckung des Hohlbauteils von einander entfernt sind und dass die Messvorrichtung und eine Lichtquelle zur Erzeugung des Lichtes in Richtung der Längserstreckung des Hohlbauteils auf der Seite einer der Positionen erste und zweite Position liegen, auf der sich auch die andere der Positionen erste und zweite Position befinden und dass die Messvorrichtung mit der Erfassungsvorrichtung und/oder die Lichtquelle mit einer Lichtabgabevorrichtung mit mindestens einem Lichtleiter verbunden ist/sind.
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Somit können sich die Messvorrichtung und die Lichtquelle in der Längserstreckung des Hohlbauteils zwischen der ersten und der zweiten Position und/oder jenseits einer der beiden Positionen und somit nicht zwischen den Positionen befinden. Die Lichtquelle kann dabei in der Lichtabgabevorrichtung beinhaltet sein oder diese bilden oder mit dieser gekoppelt sein.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Messstrecke zwischen erster und zweiter Position innerhalb des Hohlbauteils errichtet. Das Besondere daran ist, dass mindestens jenseits einer der Positionen keine elektrischen Bauteile anzuordnen sind, wodurch der Blitzschutz zumindest jenseits einer der beiden Positionen erhalten bleibt.
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Zu diesem Zweck ist entweder die Messvorrichtung mit der Erfassungsvorrichtung oder die Lichtquelle mit der Lichtabgabevorrichtung durch mindestens einen Lichtleiter verbunden. Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl die Messvorrichtung mit der Erfassungsvorrichtung als auch die Lichtquelle mit der Lichtabgabevorrichtung durch mindestens einen Lichtleiter zu verbinden.
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Als Messvorrichtung kommen beispielsweise Positionssensitive Vorrichtungen (PSD), PSDRS, PSD-Zeilen, Avalanche-Photodioden (APD), positiv oder negativ intrinsische Dioden (PIN-Dioden), Quadrantenphotodioden, aktive Pixelsensoren (APS), CMOS-Kameras, CCD-Sensoren oder andere in Frage. Als Lichtquelle kommen beispielsweise weiße, farbige oder monochromatische, un- oder polarisierte, un- oder modulierte, un- oder kohärente, auf den Detektor fokussierte oder nichtfokussierte Lichtquellen in Frage. Beispielsweise können Laserdioden oder Laser hier zur Verwendung kommen.
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Unter der Intensitätsverteilung und/oder dem Auftreffort des Lichtes ist beispielsweise die Position des Schwerpunktes des Lichtstrahls bzw. dessen Begrenzung, wie beispielsweise bei einer vorgegebenen Intensitätsgrenze, die relativ oder absolut festgesetzt sein kann, zu verstehen. Auch kann die Intensitätsverteilung an sich über einen größeren Intensitätsbereich bzw. Ortsbereich, ggf. auch nur in einem örtlichen Raster darunter verstanden werden. Entscheidend ist, dass es dadurch möglich ist, die Verlagerung des Lichtstrahls auf der Erfassungsvorrichtung auszuwerten bzw. auswertbar zu erhalten.
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Mit besonderem Vorteil sind, zur Verbesserung des Blitzschutzes und zur einfacheren Installation und Wartung, die Messvorrichtungen und die Lichtquelle in Richtung der Längserstreckung des Hohlbauteils auch außerhalb des Bereiches angeordnet, der zwischen erster und zweiter Position liegt.
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Somit befinden sich in Längserstreckung des Hohlbauteils elektrische Bauteile erfindungsgemäß lediglich jenseits einer Position und nur außerhalb des Bereichs zwischen erster und zweiter Position. Somit kann die Messstrecke vollständig in einem blitzgeschütztem Bereich angeordnet sein, ohne weitere Maßnahmen zum Erhalten des Blitzschutzes ergreifen zu müssen.
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Wird die Messvorrichtung mit der Erfassungsvorrichtung durch mindestens einen Lichtleiter gekoppelt, so ist vorteilhafter Weise, der mindestens eine Lichtleiter so eingerichtet, dass Informationen über die Intensitätsverteilung und/oder den Auftreffort des Lichtes an der Erfassungsvorrichtung zumindest aufgelöst nach der zumindest einen Raumrichtung zur Messvorrichtung gelangen. Dadurch können die entsprechenden Informationen übermittelt werden. Dies kann beispielsweise durch ein Bündel von Lichtleitern oder durch einen entsprechenden unterteilten Lichtleiter oder andere Maßnahmen erfolgen.
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Mit Vorteil ist die Messvorrichtung zur Messung aufgelöst in zwei Raumrichtungen im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsausrichtung des Lichtes eingerichtet. Dadurch kann die Auslenkung nicht nur in einer Richtung sondern in einer Raumebene erfasst werden. Vorteilhafter Weise ist dann bei Kopplung der Messvorrichtung mit der Empfangsvorrichtung der mindestens Lichtleiter ebenfalls entsprechend so einzurichten, dass entsprechende Informationen aufgelöst zumindest in diese zwei Raumrichtungen der Messvorrichtung verfügbar sind.
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Mit besonderem Vorteil ist das Hohlbauteil ein Rotorblatt bzw., eine Rotorblattwurzel und/oder ein Rotorblatt. Dabei ist vorteilhafter Weise eine erste der Positionen erste und zweite Position der Rotorblattwurzel zugewandt oder in dieser angeordnet und eine andere der Positionen erste und zweite Position in Richtung der Rotorblattspitze verschoben. Mit besonderem Vorteil ist die erste Position der Rotorblattwurzel zugewandt und die zweite Position von der ersten Position aus in Richtung der Rotorblattspitze verschoben.
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Alternativ kann das Hohlbauteil beispielsweise auch ein Turm oder ein Abschnitt eines Turms einer Windenergieanlage sein. Mit besonderem Vorteil kann des Weiteren die erste oder die zweite Position in einer Gründung oder einem Fundament des Turmes einer Windenergieanlage liegen und/oder mit dieser/diesem verbunden sein und sich die andere der Positionen, erste und zweite Position, innerhalb des Turms befinden.
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Mit besonderem Vorteil werden die ermittelten Auslenkungen des Hohlbauteils für einen Eingriff in den Betriebsablauf der Windenergieanlage und/oder für die Steuerung der Windenergieanlage verwendet. Dadurch können Sicherheitsaspekte und ein materialschonender- bzw. optimierter Betriebsablauf realisiert werden.
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Prinzipiell ist es auch denkbar, mehrere Messstrecken innerhalb eines Hohlbauteils anzuordnen. Dabei wird es bevorzugt, die Messstrecken über unterschiedliche Abschnitte oder in unterschiedlichen, sich überlappenden oder nicht überlappenden Abschnitten bezüglich der Längserstreckung des Hohlbauteils anzuordnen. Damit kann nicht nur eine Auslenkung bestimmt, sondern eine Verteilung der Auslenkungen über die Längserstreckung des Hohlbauteils ermittelt und weiter verwendet werden. Hier ist es beispielsweise möglich, nur eine Lichtquelle zu verwenden oder für mehrere Messstrecken eine gemeinsame Lichtquelle zu verwenden. Auch können Lichtwellenleiter teilweise gemeinsam genutzt werden und entsprechende Abzweigungen für einzelne Messstrecken vorgesehen werden. Auch kann eine Lichtquelle zur Speisung verschiedener Messstrecken in unterschiedlichen Hohlbauteilen, beispielsweise unterschiedlichen Rotorblättern, einer Windenergieanlage verwendet werden und somit mit unterschiedlichen Lichtabstrahlvorrichtungen in unterschiedlichen Rotorblättern gekoppelt sein.
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Darüber hinaus ist es sowohl möglich, mehrere Empfangsvorrichtungen und Messvorrichtungen vorzusehen, als auch für mehrere Messstrecken eine Empfangsvorrichtung und/oder Messvorrichtung gemeinsam vorzuhalten. Bei gemeinsamem Vorhalten einer Messvorrichtungen kann eine Unterscheidung der Signale der unterschiedlichen Messstrecken beziehungsweise Empfangsvorrichtungen beispielsweise über eine Polarisation des Lichtes, durch zeitliche Abfolgen und/oder Wellenlängenunterschiede des Lichtes erreicht werden. Auch ist eine Unterscheidung durch entsprechende Modulation der Lichtintensität möglich.
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Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes System. Dabei sind die verfahrensgemäßen Merkmale entsprechend auf das System übertragbar. Es können entsprechende Vorrichtungen vorgesehen werden, um die verfahrensgemäßen Merkmale umzusetzen.
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Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Windenergieanlage gemäß Anspruch 15, die ein System nach einem der Ansprüche 10 bis 14 beinhaltet. Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Windenergieanlage, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Windenergieanlage mit darin skizzierten, für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems geeigneten Messstrecken;
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2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems in einem Rotorblatt;
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3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems bzw.
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einer Messstrecke in einem Rotorblatt und außerhalb Rotorblatts angeordneter Lichtquelle und
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3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mittels zweier Messstrecken.
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Eine in 1 schematisch dargestellte Windenergieanlage 1 setzt sich im Wesentlichen zusammen aus einem Turm 2 mit einer darauf drehbar aufgesetzten Gondel 3 und einem an der Gondel befestigten Rotor aus an einer Nabe 5 angesetzten Rotorblättern 4.
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Die einzelnen Bauteile der Windenergieanlage 1 sind aufgrund verschiedener Lasten gerichteten Kräften ausgesetzt, die für eine Auslenkung bzw. Durchbiegung dieser Bauteile verantwortlich sein können. Zum Beispiel kann der Turm 2, der heute üblicherweise als Hohlbauteil aus Stahl- oder Stahlbetonelementen gefertigt ist, aufgrund des gegen den Rotor lastenden Winddruckes in Richtung des Windstromes aus einer Ruheposition ausgelenkt werden. Die Rotorblätter 4 werden ebenfalls aufgrund des Winddruckes aus einer gemeinsamen Rotorebene in Richtung der Strömung ausgelenkt, sie unterliegen ferner dem innerhalb der Rotorebene lotrecht nach unten wirkenden Einfluss der Schwerkraft, der eine weitere Verbiegung und damit Auslenkung aus einer Normalposition bewirkt. Insbesondere die Rotorblätter erfahren damit zeitgleich Auslenkungen mit Komponenten in zwei unterschiedliche, aufeinander lotrecht stehende Richtungen.
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Diese Auslenkungen sowohl der Rotorblätter 4 als auch des Turmes 2 können mit einem nachfolgend noch näher geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren bzw. System jedenfalls in einer Richtungskomponente erfasst werden, was durch die Einzeichnung von Messstrecken 6 (im Turm) und 7 (in den Rotorblättern) in 1 angedeutet ist.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems in einem Rotorblatt 4. Zu erkennen ist ein Rotorblatt 4 angeschlossen an einer Narbe 5. Innerhalb des Rotorblattes 4 angeordnet ist eine Messstrecke 7. Diese ist ausgebildet zwischen einer Messvorrichtung 11 und einer Lichtabstrahlvorrichtung 10. Die Lichtabstrahlvorrichtung 10 ist über einen Lichtwellenleiter 9 mit einer Lichtquelle 8 gekoppelt. Über diese Messstrecke 7 lässt sich somit die Auslenkung des Hohlbauteils, hier dem Rotorblatt 4, zwischen der ersten Position, hier der Lichtabstrahlvorrichtung 10 und der zweiten Position, hier der Messvorrichtung 11, erfassen. Nicht dargestellt ist eine Recheneinheit zur Auswertung.
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3 zeigt eine Anordnung ähnlich zu 2, wobei die Lichtquelle 8 außerhalb des Rotorblattes 4 angeordnet ist. Zu erkennen ist somit ein Rotorblatt 4 sowie eine darin angeordnete Messstrecke 7. Die Messstrecke 7 ist angeordnet zwischen eine Messvorrichtung 11 und einer Lichtabstrahlvorrichtung 10. Die Lichtabstrahlvorrichtung 10 ist über einen Lichtwellenleiter mit der außerhalb des Rotorblatts angeordneten Lichtquelle 8 gekoppelt. In diesem Fall kann die Lichtquelle 8 beispielsweise innerhalb der Narbe angeordnet werden und auch über entsprechende Verteilvorrichtungen für mehrere Messstrecken in unterschiedlichen Rotorblättern eingesetzt werden. Eine entsprechende Recheneinheit zur Auswirkung ist auch hier nicht gezeigt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems, wobei die Recheneinheit nicht dargestellt ist. Zu erkennen ist eine Rotorblatt 4 und eine Rotorblattnarbe 5. Innerhalb des Rotorblatts 4 angeordnet sind zwei Messstrecken 7 zwischen Lichtabstrahlvorrichtung 10 und einer Messvorrichtung 11, die von beiden Messstrecken gemeinsam verwendet wird. Die Lichtabstrahlvorrichtungen 10 sind durch Lichtwellenleiter 9 mit einer Lichtquelle 8 verbunden. Die Lichtquelle 8 ist hier innerhalb des Rotorblatts 4 angeordnet. Sie kann jedoch auch außerhalb des Rotorblatts 4 positioniert werden.
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Die Messstrecken 7 nutzen hier die Messvorrichtung 11 gemeinsam. Somit sind sie nicht in unterschiedlichen und deckungsfreien Längsabschnitten des Hohlbauteils, hier des Rotorblatts 4, angeordnet. Vielmehr überlagern sie sich, unterscheiden sich aber in ihrer Längserstreckung. Dadurch kann durch eine Messstrecke 7 die Auslenkung zwischen einer ersten Lichtabstrahlvorrichtung 10 und der Messvorrichtung 11 analysiert werden. Mit der zweiten Messstrecke 7 kann die Auslenkung zwischen der zweiten Lichtabstrahlvorrichtung 10 und der Messvorrichtung 11 analysiert werden. Durch entsprechende Subtraktion lassen sich die Auslenkungen in den einzelnen Abschnitten zwischen Messvorrichtung 11 und erster Lichtabstrahlvorrichtung 10 bzw. zwischen erster Lichtabstrahlvorrichtung und zweiter Lichtabstrahlvorrichtung bestimmen.
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Auch hier ist es selbstverständlich möglich, die Messvorrichtung außerhalb des Rotorblatts 4 anzuordnen. Auch wäre es denkbar, die Lichtwellenleiter 9 bis zur ersten Lichtabstrahlvorrichtung 10, die näher an der Messvorrichtung 11 angeordnet ist, als gemeinsamen Lichtwellenleiter auszuführen und eine entsprechende Gabelung vorzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windenergieanlage
- 2
- Turm
- 3
- Gondel
- 4
- Rotorblatt
- 5
- Nabe
- 6
- Messstrecke
- 7
- Messstrecke
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Lichtwellenleiter
- 10
- Lichtabstrahlvorrichtung
- 11
- Messvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006002709 [0006]
- DE 102007059165 A1 [0007]
- DE 102006002708 A1 [0007]
