DE102013002927A1

DE102013002927A1 - Sensorsystern und Verfahren zur Rotorblatt-Überwachung für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102013002927A1
Application number: DE201310002927
Authority: DE
Inventors: Gunther May; Inna Kozinsky; Steffen Kunkel; Ibrahim Doertoluk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-08-21

Abstract

Es wird ein Sensorsystem (5) zur Rotorblatt-Überwachung für eine Windkraftanlage vorgestellt. Das Sensorsystem (5) weist einen Sensor (13), eine Kommunikationseinrichtung (14) sowie eine autarke Energieversorgung (11) auf. Der Sensor (13) überwacht einen Zustand eines Rotorblatts (4) der Windkraftanlage, wobei der Sensor (13) ausgebildet ist, ein Überwachungssignal bereitzustellen, welches zumindest eine Zustandsgröße des Rotorblatts (4) repräsentiert. Die Kommunikationseinrichtung (14) ist ausgebildet, das Überwachungssignal für eine entsprechende Empfangseinrichtung (7) kabellos bereitzustellen. Die autarke Energieversorgung (11) ist ausgebildet, elektrische Energie aus dem Umfeld der autarken Energieversorgung (11) zu gewinnen und für den Betrieb des Sensors (13) und/oder der Kommunikationseinrichtung (14) bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem und ein Verfahren zur Rotorblatt-Überwachung für eine Windkraftanlage sowie eine entsprechende Windkraftanlage, die das Sensorsystem und das Verfahren nutzt.
Windkraftanlagen werden verwendet, um Windenergie durch die Umwandlung von mechanischer Bewegung in elektrische Energie zu ernten. Typischerweise umfassen Windenergieanlagen einen Rotor mit Rotorblättern, der den durch den Wind bewegten Teil repräsentiert, und einen statischen Turm, an dem der Rotor befestigt ist. Windkraftanlagen leiden häufig unter Bedingungen, die die gesamte Funktionalität beeinträchtigen. Speziell die Rotorblätter können unter Eisbildung auf den Oberflächen oder Beschädigung durch Blitz leiden.
Rotorblätter gehören mit zu den am höchsten belasteten Komponenten einer Windkraftanlage. Sie sollen enormen Fliehkräften, Windströmungen, Turbulenzen, Sonnenstrahlen, Regen und Schneefall sowie dem Eisansatz über mehrere Jahre im Dauerbetrieb standhalten, denn eine lange Lebensdauer ist für den wirtschaftlichen Betrieb von Windkraftanlagen von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund setzen sich Rotorblatt-Überwachungssysteme mehr und mehr durch. Diese Systeme überwachen kontinuierlich den Zustand der Rotorblätter und tragen somit gravierend zur Verlängerung der Lebensdauer der Rotorblätter bei. Durch frühzeitiges Erkennen von Schäden können diese entweder noch im Anfangsstadium repariert oder aber ein Blatttausch auf lange Sicht geplant werden. Diese Arbeiten können dann in windschwachen Zeiten ausgeführt werden, sodass die Verfügbarkeit der Windkraftanlagen steigt, was zu einer Erhöhung des Energieertrages führt. Bei bisherigen Rotorblatt-Überwachungssystemen erfolgt die Energie- sowie die Datenübertragung kabelgebunden aus der Nabe. In der Nabe werden die Sensordaten aufgenommen und über ein Funkprotokoll an einen Empfänger in der Gondel weitergegeben. Somit wird das Durchschleifen über Schleifringe vermieden. Von dort erfolgt die Datenübertragung wieder kabelgebunden zur Anlagensteuerung im Turmfuß. Die Datenübertragung von der Messstelle im Rotorblatt direkt in den Turmfuß ist nur mit einem erhöhten Verkabelungsaufwand möglich. Zusätzlich bringen Kabel beim Thema Blitzschutz Probleme mit sich.
In DE 100 65 314 A1 ist ein Ansatz zur Zustandsüberwachung von Rotorblättern beschrieben. Das Grundprinzip besteht darin, physikalische Parameter, wie Rotorblattvibrationen, zu überwachen, um Situationen, die die Rotorblätter einer Windkraftanlage beeinflussen, zu erkennen. In dem in DE 100 65 314 A1 verwendeten Ansatz, werden die Überwachungsdaten über drahtgebundene Kommunikation an ein Gerät gesendet, welches die Überwachungsdaten interpretiert und auf die Ergebnisse reagiert, beispielsweise durch anhalten des Rotors der Windkraftanlage bei erkannten strukturellen Schäden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Sensorsystem sowie verbessertes Verfahren zur Überwachung von einem Rotorblatt einer Windkraftanlage und eine entsprechende Windkraftanlage zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorsystem zur Rotorblatt-Überwachung für eine Windkraftanlage, ein Verfahren zum Überwachen eines Rotorblatts für eine Windkraftanlage, welches das Sensorsystem nutzt sowie eine entsprechende Windkraftanlage mit einem Überwachungssystem gemäß den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Verkabelungsaufwand sowie die Fehleranfälligkeit von Kabelverbindungen durch den Einsatz von einer kabellosen Datenübertragung wie beispielsweise einer Funkübertragung verringert werden kann, wenn das Sensorsystem energieautark ausgeführt ist. Das heißt, wenn elektrische Energie in kleinen Mengen aus dem Umfeld des Sensorsystems für dessen Betrieb erzeugt werden kann.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Sensorsystem zur Rotorblatt-Überwachung für eine Windkraftanlage mit folgenden Merkmalen:
ein Sensor zur Überwachung eines Zustands eines Rotorblatts der Windkraftanlage, wobei der Sensor ausgebildet ist ein Überwachungssignal bereitzustellen, welches zumindest eine Zustandsgröße des Rotorblatts repräsentiert;
eine Kommunikationseinrichtung, die ausgebildet ist, das Überwachungssignal für eine entsprechende Empfangseinrichtung kabellos bereitzustellen; und
eine autarke Energieversorgung, die ausgebildet ist, elektrische Energie aus dem Umfeld der autarken Energieversorgung zu gewinnen und für den Betrieb des Sensors und/oder der Kommunikationseinrichtung bereitzustellen.
Eine Windkraftanlage kann einen Turm, eine Gondel, eine Nabe, einen Rotor mit zumindest einem Rotorblatt sowie ein Rotorblattüberwachungssystem für das zumindest eine Rotorblatt umfassen. Dabei kann das Rotorblattüberwachungssystem ein Sensorsystem zur Rotorblatt-Überwachung aufweisen. So kann das Sensorsystem mit einem Sensor einen Zustand eines Rotorblatts erfassen und ein Überwachungssignal ausgeben. Zur Überwachung des Zustands des Rotorblatts kann eine Vibration des Rotorblatts oder zumindest eine Dehnung von dem Sensorsystem erfasst werden. Ein Auswerten des Überwachungssignals kann eine Information über den mechanischen Zustand des Rotorblatts liefern. Beispielsweise die Vibration des Rotorblatts oder die Dehnung des Rotorblatts kann als eine Zustandsgröße des Rotorblatts bezeichnet werden. Zum Übertragen des Überwachungssignals beispielsweise an eine Auswerteeinrichtung kann das Sensorsystem eine Kommunikationseinrichtung aufweisen. Die Kommunikationseinrichtung kann an einer Schnittstelle das Überwachungssignal kabellos bereitstellen. Die Kommunikationseinrichtung und/oder der Sensor können zum Betrieb elektrische Energie benötigen. Eine autarke Energieversorgung kann elektrische Energie bereitstellen. Ein Sensorsystem, das eine autarke Energieversorgung aufweist, kann energieautark sein, das heißt, das Sensorsystem kann zum Betrieb keine von außen zugeführte elektrische Energie benötigen. Unter einer autarken Energieversorgung kann dabei ein sogenannter „Energy Harvester” verstanden werden. Unter einer autarken Energieversorgung beziehungsweise einem Energy Harvester kann ein Gewinnen von elektrischer Energie aus dem Umfeld des Sensorsystems für den Betrieb des Sensorsystems verstanden werden. Das Sensorsystem kann als ein energieautarker, kabelloser und batterieloser Sensor bezeichnet werden.
Günstig ist es auch, wenn die autarke Energieversorgung ausgebildet ist, Bewegungsenergie angeregt durch eine Rotation des Sensorsystems und/oder angeregt durch eine Vibration des Sensorsystems in elektrische Energie zu wandeln. Die autarke Energieversorgung kann Energie aus dem Umfeld in elektrische Energie wandeln. Beispielsweise kann elektrische Energie, das heißt elektrische Spannung, unter Verwendung piezoelektrischer Kristalle bei Krafteinwirkung, beispielsweise durch Druck oder Vibration, erzeugt werden. Alternativ können thermoelektrische Generatoren und pyroelektrische Kristalle aus Temperaturunterschieden elektrische Energie gewinnen. Eine Ausführungsform der autarken Energieversorgung kann über Antennen die Energie von Radiowellen, eine Form von elektromagnetischer Strahlung, auffangen und energetisch verwenden. In einer weiteren Ausführungsform kann unter Verwendung von Photovoltaik elektrische Energie aus der Umgebungsbeleuchtung gewonnen werden. Günstig ist es auch, wenn die autarke Energieversorgung elektrische Energie unter Verwendung des Prinzips der Osmose bereitstellt. Die autarke Energieversorgung kann zumindest zwei Prinzipien der Energieumwandlung parallel oder gleichzeitig nutzen. Beispielsweise kann bei einem Betrieb des Rotorblatts, an dem das Sensorsystem angeordnet ist, eine durch eine Rotation des Rotorblatts bedingte Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Bei einem Stillstand des Rotorblatts kann unter Verwendung eine Vibration des Sensorsystems in elektrische Energie umgewandelt werden.
Ferner kann das Sensorsystem auch eine Energiespeichervorrichtung aufweisen, die mit der autarken Energieversorgung verbunden ist. Dabei kann die Energiespeichervorrichtung ausgebildet sein, die von der autarken Energieversorgung empfangenen Energie zu speichern und/oder elektrische Energie für den Betrieb des Sensors und/oder der Kommunikationseinrichtung bereitzustellen. Vorteilhaft kann eine Energiespeichervorrichtung elektrische Energie speichern, wenn diese für den Betrieb des Sensorsystems nicht notwendig ist, das heißt, wenn mehr elektrische Energie erzeugt als verbraucht wird. Vorteilhaft kann eine Energiespeichervorrichtung elektrische Energie bereitstellen, wenn die autarke Energieversorgung für den Betrieb des Sensorsystems nicht ausreichend elektrische Energie bereitstellt. So kann unter einer Energiespeichervorrichtung ein Puffer für elektrische Energie verstanden werden.
Auch ist es günstig, wenn das Sensorsystem eine sekundäre Energieversorgung aufweist, welche ausgebildet ist, elektrische Energie bereitzustellen, wobei Energie mit elektromagnetischen Wellen und/oder gebündeltem Licht übertragen wird, wenn die autarke Energieversorgung nicht ausreichend elektrische Energie zum Betrieb des Sensors und/oder der Kommunikationseinrichtung bereitstellt. Unter einer sekundären Energieversorgung kann ein Backup der autarken Energieversorgung verstanden werden. So kann die autarke Energieversorgung auch als eine primäre Energieversorgung bezeichnet werden. Die sekundäre Energieversorgung kann parallel zur autarken oder primären Energieversorgung geschaltet sein.
Ein Verfahren zum Überwachen eines Rotorblatts für eine Windkraftanlage weist die folgenden Schritte auf:
Überwachen eines Zustands eines Rotorblatts der Windkraftanlage mit einem Sensor, wobei der Sensor ausgebildet ist, ein Überwachungssignal bereitzustellen, welches zumindest eine Zustandsgröße des Rotorblatts repräsentiert;
Bereitstellen des Überwachungssignals an einer Kommunikationseinrichtung für eine Empfangseinrichtung; und
Bereitstellen einer elektrischen Energie mit einer autarken Energieversorgung, wobei die autarke Energieversorgung ausgebildet ist, die elektrische Energie aus dem Umfeld der autarken Energieversorgung zu gewinnen und für den Betrieb des Sensors und/oder der Kommunikationseinrichtung bereitzustellen.
Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Eine Windkraftanlage mit einem Überwachungssystem umfasst die folgenden Merkmale. Dabei weist die Windkraftanlage einen Rotor mit zumindest einem Rotorblatt auf.
ein Sensorsystem zur Rotorblatt-Überwachung, welches an dem zumindest einem Rotorblatt angeordnet ist;
eine Empfangseinrichtung, die ausgebildet ist, das kabellos übertragene Überwachungssignal zu empfangen; und
eine Auswerteeinrichtung zum Bewerten des Überwachungssignals, um die Windkraftanlage zu überwachen.
Das Sensorsystem kann ein Überwachungssignal kabellos bereitstellen. Das auf diese Art kabellos bereitgestellte Überwachungssignal kann von der Empfangseinrichtung empfangen werden und von der Auswerteeinrichtung bewertet werden. Mit dem bewerteten Überwachungssignal kann das Rotorblatt der Windkraftanlage überwacht werden. Die Empfangseinrichtung und die Auswerteeinrichtung können beispielsweise mit einem Kabel verbunden sein. Alternativ können die Empfangseinrichtung und die Auswerteeinrichtung als eine Vorrichtung ausgebildet sein, das heißt die Empfangseinrichtung und die Auswerteeinrichtung können als eine integrierte Einrichtung ausgebildet sein.
Ferner kann die Empfangseinrichtung an einer Nabe der Windkraftanlage angeordnet sein. Alternativ kann die Empfangseinrichtung in einer Gondel der Windkraftanlage angeordnet sein. Weiterhin kann alternativ die Empfangseinrichtung in einem Turmfuß der Windkraftanlage angeordnet sein.
Ferner kann die Auswerteeinrichtung an einer Nabe der Windkraftanlage angeordnet sein. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung in einer Gondel der Windkraftanlage angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Auswerteeinrichtung in einem Turmfuß der Windkraftanlage angeordnet sein.
In einer Ausführungsform der Windkraftanlage kann die Auswerteeinrichtung mit einer Anlagensteuerung der Windkraftanlage verbunden sein. Durch eine Verbindung der Auswerteeinrichtung mit der Anlagensteuerung kann entsprechend dem bewerteten Überwachungssignal eine Ansteuerung durch die Anlagensteuerung erfolgen.
Unter einem Sensorsystem, einer Kommunikationseinrichtung, einer Empfangseinrichtung, einer Auswerteeinrichtung oder einer Anlagensteuerung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann zumindest eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage;
2 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a, 3b einen prinzipiellen Aufbau eines autarken Rotorblattüberwachungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer sekundären Energieversorgung als Backup-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a bis 5c eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines Lineargenerators zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Rotorblatts für eine Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage. Auf einem Turm 1 ist eine Gondel 2 angeordnet. An einem Ende der Gondel 2 ist eine Nabe 3 mit zwei Rotorblättern 4, die zusammen den Rotor der Windkraftanlage bilden, angeordnet. Die Rotorblätter 4 sind an einem Ende entlang der Haupterstreckungsrichtung des Rotorblatts mit der Nabe 3 verbunden. An jedem Rotorblatt 4 ist ein Sensorsystem 5 angeordnet. Das Sensorsystem 5 kann auch als Rotorblattüberwachungssystem 5 bezeichnet werden. In der Nabe 3 ist eine zentrale Auswertestation 6 mit einem integrierten Funkmodul angeordnet. In der Gondel 2 ist eine Empfangseinrichtung 7 angeordnet, die auch als Empfangsmodul 7 bezeichnet werden kann. In einem Ausführungsbeispiel sind in der Empfangseinrichtung 7 Übertragungsprotokolle implementiert. Im Fuß des Turms 1 der Windkraftanlage ist eine Anlagensteuerung 8 für die Windkraftanlage angeordnet. Das Rotorblattüberwachungssystem 5 und die zentrale Auswertestation 6 sind über eine kabelgebundene Kommunikationsschnittstelle 9, die beispielsweise auch eine Energieversorgung, das heißt Energieversorgungsleitung umfasst, verbunden. Die Empfangseinrichtung 7 und die Anlagensteuerung 8 sind über eine kabelgebundene Kommunikationsschnittstelle 9, die beispielsweise auch eine Energieversorgung, das heißt Energieversorgungsleitung umfasst, verbunden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Windkraftanlage weist einen Rotor mit drei Rotorblättern 4 auf. Die drei Rotorblätter 4 sind jeweils an einem Ende mit einer Nabe der Windkraftanlage verbunden. An einem Ende eines Turms der Windkraftanlage ist eine Gondel angeordnet, die über die Nabe mit dem Rotor der Windkraftanlage verbunden ist. An jedem Rotorblatt 4 ist eine Sensoreinrichtung 10 mit einer kabellosen Schnittstelle sowie eine autarke Energieversorgung 11 zur Überwachung des Rotorblatts 4 angeordnet. Im Fuß des Turmes der Windkraftanlage ist eine Anlagensteuerung 8 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Anlagensteuerung 8 weiterhin eine Empfangseinrichtung sowie eine Auswerteeinrichtung. Die Sensoreinrichtung 10 umfasst einen Sensor und eine Kommunikationseinrichtung. Bei der Kombination aus Sensoreinrichtung 10 und autarker Energieversorgung 11 kann es sich um das in 1 gezeigte Sensorsystem handeln. Mit anderen Worten zeigt 2 eine autarke Energieversorgung eines Rotorblatt-Überwachungssystems in Windenergieanlagen.
Mit anderen Worten zeigt 2 eine lokale autonome Stromversorgung in den Rotorblättern 4 von einer Windkraftanlage zur Stromversorgung drahtloser Monitoring-Sensoren 10. Dabei wird eine Methode zur drahtlosen Übertragung von Messdaten von den Rotorblättern einer Windkraftanlage vorgeschlagen, unter Verwendung einer Energiequelle an oder in den Rotorblättern 4 der Windkraftanlage. Die Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung der Sensordaten kann auf Funkübertragung oder auf Licht-Kommunikation basieren. Die lokale Energiequelle kann eine Batterie (Primärbatterie oder wiederaufladbarer Akkumulator), eine Brennstoffzelle, eine autarke Energiegewinnung und Energieversorgung (zusätzlich zur Energiegewinnungs-Funktionalität der Windkraftanlage selbst) oder eine Kombination von diesen sein. Die autarke Energiegewinnung aus dem Umfeld bietet den Vorteil eines wartungsfreien Betriebs mit einer durch den Verschleiß der mechanischen Teile beschränkten Lebensdauer.
Ein Beispiel für die Montage der Sensoren und der autarken Energieversorgung an einer Windturbine ist in 2 dargestellt. Verschiedene Energiequellen können von der autarken Energieversorgung („power harvester”) ausgenutzt werden. Dies umfasst eine Änderung der Erdbeschleunigung während der Drehung des Rotorblatts, Vibration des Rotorblattes, Dehnung in dem Rotorblatt, ein vorhandener oder eigens auf dem Rotorblatt erzeugter Temperaturgradient sowie tagsüber Sonnenlicht. Ohne von der Windkraftanlage selbst erzeugte Energie zu nutzen, können mechanische Power Harvester von der Drehung lokal Energie erzeugen, um mit der Energie die Sensoren zum Überwachen und zur drahtlosen Übertragung zu versorgen. Die lokale Energieversorgung durch Rotation kann die auf ein fest auf dem Rotorblatt fixiertes Gerät wirkende wechselnde Erdbeschleunigung nutzen. Um den höchstmöglichen Ertrag aus dem lokalen Energiegewinnungssystem zu erzielen, sollte die Resonanzfrequenz der lokalen Energieversorgung mit der Drehzahl der Windkraftanlage, die typischerweise reguliert wird, sodass sie auch bei unterschiedlichen Windverhältnissen konstant bleibt, synchronisiert werden. Die Implementierungen derartiger Vorrichtungen können ohne darauf beschränkt zu sein beispielsweise elektromagnetische Masse-Feder-Systeme bestehend aus Magneten und Spulen und piezoelektrische Biegeelemente und Masse-Systeme umfassen.
3a zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Sensorsystems 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Sensorsystem 5 kann es sich um das in 1 gezeigte Sensorsystem 5 bzw. Rotorblattüberwachungssystem 5 handeln. Das Sensorsystem 5 umfasst eine auch als Energy-Harvester 11 bezeichnete autarke Energieversorgung 11, ein Leistungs-Management 12, einen Sensor 13 sowie eine Kommunikationseinrichtung 14. Bei dem Sensor 13 kann es sich in einem Ausführungsbeispiel um eine Rotorblattüberwachungssensorik und Auswerteeinheit handeln. Bei der Kommunikationseinrichtung 14 kann es sich in einem Ausführungsbeispiel um ein Funkmodul mit implementierten Übertragungsprotokollen handeln. Um die teilweise schwankende Spannung der autarken Energieversorgung 11 an die Leistungsaufnahme des Sensors 13 anzupassen, ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen die beiden letztgenannten Einrichtungen eine optionale Einrichtung zum Leistungs-Management 12 dazwischen geschaltet. Das Leistungs-Management 12 ist verbunden mi dem Sensor 13 sowie der Kommunikationseinrichtung 14. Das Funktionsprinzip der autarken Energieversorgung 11 kann ein Schwanken der bereitgestellten Spannung bedingen.
Ein Aspekt der vorgestellten Erfindung umfasst die Implementierung eines energieautarken kabellosen Sensorsystems 5 für die Rotorblattüberwachung von Windenergieanlagen. Hierbei wird die Energieversorgung durch einen Energy-Harvester 11 realisiert. Ein Energy-Harvester 11 ist eine Art Generator. Er wandelt Umgebungsenergie wie beispielsweise Licht, Vibrationen, Bewegungen, Temperaturunterschiede, in elektrische Energie um. In 3a ist der prinzipielle Aufbau eines solchen Systems dargestellt. 3a zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines autarken Rotorblattüberwachungssystems zur Aufbereitung der elektrischen Ausgangsparameter des Harvesters 11 ist ein Power-Management 12 notwendig. Dieses stellt sicher, dass die Rotorblattüberwachungssensorik 13 mit der passenden Spannung versorgt wird. Die ermittelten Daten werden dann über ein Funkmodul 14, welches ebenfalls durch das Power-Management 12 mit Energie versorgt wird, weitergegeben. Für die Erzeugung elektrischer Energie in einem Rotorblatt kommen beispielsweise zwei Energiequellen mit zugehörigen Wandlerprinzipien in Betracht. Zum einen Bewegung in Form von Vibrationen, die durch den Wind angeregt sind, können piezoelektrisch, elektromagnetisch oder elektrostatisch in elektrische Energie gewandelt werden. Zum anderen kann eine rotatorische Bewegung elektromagnetisch in elektrische Energie gewandelt werden. Zur Realisierung einer zuverlässigen Energieversorgung ist in einem Ausführungsbeispiel eine Kombination von verschiedenen Generatoren angedacht. Im Betrieb des Rotors der Windkraftanlage kann eine Umwandlung der Bewegungsenergie durch die Rotation in elektrische Energie erfolgen. Bei einem Stillstand des Rotors der Windkraftanlage kann eine Umwandlung der angeregten Vibrationen in elektrische Energie erfolgen.
3b zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Sensorsystems 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Sensorsystem 5 kann es sich um ein in den vorangegangenen Figuren beschriebenes Sensorsystem 5 handeln. Das dargestellte Sensorsystem 5 umfasst eine autarke Energieversorgung 11 einen Sensor 13 sowie eine Kommunikationseinrichtung 14, die miteinander verbunden sind.
Im Allgemeinen sind mechanische Power Harvester, das heißt mechanische lokale Energiegewinnungssysteme, mechanisch-elektrische Energiewandler, die meist ein Masse-Feder-System aufweisen, welches mit einem Rahmen gekoppelt ist, der von außerhalb mittels Vibrationen, Stößen und anderen Bewegungen verschoben wird. Das Masse-Feder-System wirkt als Dämpfer für die Bewegung des Rahmens und nimmt somit kinetische Energie auf. Die Weitergabe von mechanischer in elektrische Energie durch das Masse-Feder-System kann elektromagnetisch sein, das heißt ein Magnet bewegt sich relativ zu einer Spule, elektrostatisch, das heißt geladene Objekte aneinander vorbei bewegen, oder piezoelektrisch, das heißt eine Deformation eines Biegeelements erzeugt eine Ausgangsspannung. In ähnlicher Weise kann Energie von den Rotorblattschwingungen mit den Masse-Feder-Systemen erfasst werden, wenn die Frequenz auf die niedrigste dominante Vibrationsfrequenz des Rotorblattes abgestimmt wird. Piezoelektrische Power-Harvester können Energie aus der durch starken Wind induzierten Deformation/Biege-Belastung der Rotorblätter gewinnen. In einer anderen Implementierung können bestehende oder lokal auf dem Rotorblatt induzierte Wärmegradienten durch einen thermoelektrischen Power-Harvester genutzt werden. Beispielsweise kann ein thermischer Gradient zu diesem Zweck zwischen einer schwarzen von der Sonne während des Tages Wärme absorbierenden Fläche zu einer Wärmesenke mit Kühlrippen, die durch Luftbewegung durch die Rotorblattbewegung gekühlt werden, etabliert werden. Im Gegensatz zu mechanischen Power-Harvestern können thermoelektrische Power-Harvester mit dem Seebeck-Effekt in einigen Materialien direkt Temperaturdifferenzen in elektrische Spannung umwandeln. Vorrichtungen mit diesen Grundsätzen können in einer Vielzahl von Formen und Größen hergestellt werden und können leicht an die Anwendungsumgebung angepasst werden. Schließlich kann elektrische Leistung lokal durch eine auf dem Rotorblatt angeordnete photovoltaische Solarzelle erzeugt werden. Die Solarzelle wandelt im Laufe des Tages auf das Rotorblatt strahlende Sonnenenergie in elektrische Energie um, die für den Betrieb der drahtlosen Sensoren und Sender erforderlich ist. Photovoltaik, thermoelektrische und einige mechanische Power-Harvester-Implementierungen einer lokalen wartungsfreien autonomen Stromversorgung benötigen einen sekundären Energiespeicher, wie beispielsweise einen Kondensator, einen Ultra-Kondensator oder ein Akku, um einen kontinuierlichen Betrieb des kabellosen Überwachungs- und Sensor-Systems sicherzustellen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer sekundären Energieversorgung als Backup-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte sekundäre Energieversorgung wird schematisch als auf einem Rotorblatt 4 bzw. einer Nabe 3 angeordnetes System dargestellt. Das Rotorblatt 4 ist an einem Ende mit der Nabe 3 verbunden. An der Nabe 3 ist ein Lasersystem 15 angeordnet. An dem Rotorblatt 4 ist eine autarke Energieversorgung 11 angeordnet. Die autarke Energieversorgung 11 ist Teil eines Sensorsystems 5. Dabei weist die autarke Energieversorgung 11 eine warme Platte 16, einen Wandler des Wärmeflusses in elektrische Energie 17 sowie eine kalte Platte 18 auf. Die von der autarken Energieversorgung 11 bereitgestellte elektrische Energie wird einer Einrichtung für ein Leistungs-Management 12 bereitgestellt. Die Einrichtung für das Leistungs-Management 12 ist verbunden mit einem Sensor 13 sowie einer Kommunikationseinrichtung 14. Weiterhin ist der Sensor 13 mit der Kommunikationseinrichtung 14 verbunden. Das Lasersystem 15 ist ausgebildet, um eine Wärmeübertragung in Form von gerichteten Laserstrahlen 19 zu der autarken Energieversorgung 11 zu realisieren. Auf der Nabe 3 ist weiterhin eine Sendespule 20 mit Elektronik zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen angeordnet. An dem Rotorblatt 4 ist eine Empfangsspule 21 mit Elektronik zur Umwandlung der elektromagnetischen Strahlung in elektrische Energie angeordnet. Zwischen der Sendespule 20 und der Empfangsspule 21 ist im Betrieb ein elektromagnetischer Energiefluss 22 zu beobachten. In 4 sind zwei alternative Ausführungsbeispiele für eine sekundäre Energieversorgung als ein Backup-System für ein Überwachungssystem für eine Windkraftanlage dargestellt.
Mit anderen Worten kann in einem Notfall, wenn der Rotor keine Bewegungsenergie liefert, eine sekundäre Energieversorgung des Sensorsystems erfolgen. Falls die Umgebung nicht genügend Energie zur Verfügung stellt, greifen zwei Backup Energieversorgungssysteme. Zum einen besteht die Möglichkeit, Energie kabellos mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen 22 zu übertragen. Dabei werden durch eine hochfrequent belastete Sendespule 20 elektromagnetische Wellen erzeugt, welche an einer Empfangsspule 21 wieder in elektrischen Strom transformiert werden. Zum Anderen kann mit Hilfe von gebündeltem Licht 19 Energie übertragen werden. Hierbei wird eine Seite eines Thermogenerators 11 bestrahlt 16 und damit erwärmt. Dadurch ergibt sich zur anderen Seite 18 des Generators 17 ein Temperaturunterschied. Dieser Unterschied wird dann in elektrischen Strom umgewandelt. 4 stellt die beiden Backup-Systeme beziehungsweise Backup-Energieversorgungssysteme prinzipiell dar.
Die folgenden Figuren 5a, 5b und 5c zeigen eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei eine Datenübertragung des Sensorsystems über Funkstrecken realisiert wird.
Es sind Möglichkeiten dargestellt, bei denen durch den Einsatz von energieautarken kabellosen Sensorsystemen der Verkabelungsaufwand reduziert werden kann. Zum Einen kann die Datenübertragung vom Rotorblattüberwachungssystem 5 in die Nabe 3 kabellos vonstatten gehen, bei gleichbleibender Weiteneichung der Daten zur Anlagensteuerung, und zum Zweiten eröffnet sich die Möglichkeit, die Daten direkt vom Rotorblatt 4 in den Turmfuß 1 zu senden. Die folgenden Figuren zeigen eine Datenübertragung des Rotorblattüberwachungssystems über Funkmodule. Die direkte Datenübertragung vom Rotorblatt 4 in den Turmfuß zur Anlagensteuerung 8 bringt das größte Einsparpotenzial mit sich. Zusätzlich zu den Kabeln, kann auf die zentrale Auswertestation 6 in der Nabe 3 und das Empfängermodul 7 in der Gondel 2 verzichtet werden.
5a zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Windkraftanlage weist einen Turm 1 auf an dessen einem Ende eine Gondel 2 angeordnet ist, die mit einer Nabe 3 verbunden ist. Mit der Nabe 3 sind zwei Rotorblätter 4 verbunden. Die Einheit aus Nabe 3 und in diesem Ausführungsbeispiel zumindest zwei Rotorblättern 4 kann als ein Rotor einer Windkraftanlage bezeichnet werden. An jedem der zwei dargestellten Rotorblätter 4 ist ein Sensorsystem 5 angeordnet. An der Nabe 3 ist eine zentrale Auswertestation mit einem integrierten Funkmodul 6 angeordnet. In der Gondel ist eine Empfangseinrichtung 7 mit implementierten Übertragungsprotokollen angeordnet. Die Empfangseinrichtung 7 mit implementierten Übertragungsprotokollen ist kabelgebunden mit einer im Fuß des Turmes 1 der Windkraftanlage angeordneten Anlagensteuerung 8 verbunden. Die Empfangseinrichtung 7 ist über eine kabelgebundene Kommunikationsschnittstelle 9 mit der Anlagensteuerung 8 verbunden.
5b zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der Windkraftanlage entspricht weitgehend der bereits in 5a beschriebenen Darstellung einer Windkraftanlage. Die Windkraftanlage weist einen Turm 1 auf an dessen einem Ende eine Gondel 2 angeordnet ist, die mit einer Nabe 3 verbunden ist. Weiterhin sind zwei mit der Nabe 3 verbundene Rotorblätter 4 dargestellt. Auf den zwei Rotorblättern 4 ist je ein Sensorsystem 5 angeordnet. Im Fuß des Turms der Windkraftanlage ist eine Empfangseinrichtung 7 und eine Anlagensteuerung 8 angeordnet, wobei die Anlagensteuerung 8 in diesem Ausführungsbeispiel auch eine Auswerteeinrichtung für das von dem Sensorsystem 5 bereitgestellte Überwachungssignal umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Empfangseinrichtung 7 sowie die Auswerteeinrichtung und die optionale Anlagensteuerung 8 als ein Steuergerät ausgeführt.
5c zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der Windkraftanlage entspricht weitgehend den bereits in 5a und 5b beschriebenen Darstellungen einer Windkraftanlage. Ein aus einer Nabe 3 und zumindest zwei Rotorblättern 4 gebildeter Rotor ist mit einer Gondel 2, die an einem Ende eines Turms 1 angeordnet ist, verbunden. An jedem der dargestellten Rotorblätter 4 ist ein Sensorsystem 5 angeordnet. Das Sensorsystem 5 ist ausgebildet, ein Überwachungssignal der Windkraftanlage drahtlos bereitzustellen. Im Turm 1 der Windkraftanlage ist eine Empfangseinrichtung 7, eine mit der Empfangseinrichtung 7 verbundene Auswerteeinrichtung 6 sowie optional eine mit der Auswerteeinrichtung 6 verbundene Anlagensteuerung 8 angeordnet. Die Empfangseinrichtung 7 ist ausgebildet, das von dem Sensorsystem 5 bereitgestellte Überwachungssignal an einer Schnittstelle zu empfangen und der Auswerteeinrichtung 6 bereitzustellen. Die Auswerteeinrichtung 6 ist ausgebildet, das Überwachungssignal auszuwerten und ein bewertetes beziehungsweise ausgewertetes Überwachungssignal bereitzustellen, welches beispielsweise von der Anlagensteuerung 8 verarbeitet werden kann. In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinrichtung 6 mit dem Sensorsystem 5 kombiniert sein und von der Kommunikationseinrichtung des Sensorsystems 5 ein bewertetes beziehungsweise ausgewertetes Überwachungssignal bereitgestellt werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Lineargenerators 24 zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Lineargenerator 24 ist ein Ausführungsbeispiel für eine autarke Energieversorgung. Bei der autarken Energieversorgung kann es sich um eine in einem Sensorsystem integrierte autarke Energieversorgung handeln, wie dies in den 3a, 3b und 4 im Detail beschrieben ist. Ein Dauermagnet 26 ist innerhalb mehrerer separater Spulen 28 angeordnet. Der Dauermagnet 26 kann ausgebildet sein mit einem ausgeprägten Nordpol und einen ebenso ausgeprägten Südpol. Die Spulen 28 sind um einen Mantel 30 angeordnet. In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind siebenundzwanzig Spulen 28 nebeneinander angeordnet und umschließen den Mantel 30. Die Spulen 28 sind in einem Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass die Spulen 28 zusammen mit dem Dauermagnet 26 einen Generator bilden. Der Dauermagnet 26 ist auf einer Führungsschiene 32 gelagert. Die beiden Enden 34 des Mantels 30 sind zu einer Führungsschiene 32 hin ausgerichtet, das heißt, der Abstand der Spulen 28 zu dem Dauermagnet 26 ist an den Enden 34 kleiner als in der Mitte der Führungsschiene beziehungsweise der Spulen. An den Enden 34 kann eine Luftdämpfung ausgebildet sein.
Mit anderen Worten zeigt 6 ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Harvester Systems. Die einfachste Umsetzung der rotatorischen Bewegung in elektrische Energie erfolgt über einen Lineargenerator 24. Dabei wird das Prinzip der elektromagnetischen Induktion genutzt. Ein Dauermagnet 26, mit ausgeprägtem Nord- und Südpol, ist beweglich innerhalb mehrerer Spulen 28 gelagert. Die Spulen 28 können separat ausgeführt sein. Infolge der linearen Bewegung innerhalb der Spulen 28 wird durch das Induktionsgesetz eine elektrische Wechselspannung induziert. Die beiden Enden sind stark verengt ausgeführt 34, wodurch eine gedämpftes Auslaufen erreicht wird.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Rotorblatts für eine Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt des Überwachens 36 wird der Zustand eines Rotorblatts der Windkraftanlage mit einem Sensor überwacht. Dabei ist der Sensor ausgebildet, ein Überwachungssignal bereitzustellen, welches zumindest eine Zustandsgröße des Rotorblatts repräsentiert. In einem Schritt des Bereitstellens des Überwachungssignals 38 wird das Überwachungssignal an einer Kommunikationseinrichtung für eine Empfangseinrichtung bereitgestellt. In einem Schritt des Bereitstellens einer elektrischen Energie 40 wird unter Verwendung einer autarken Energieversorgung elektrische Energie bereitgestellt. Dabei ist die autarke Energieversorgung ausgebildet, die elektrische Energie aus dem Umfeld der autarken Energieversorgung zu gewinnen und für den Betrieb des Sensors und/oder der Kommunikationseinrichtung bereitzustellen.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Turm
2: Gondel
3: Nabe
4: Rotorblatt
5: Sensorsystem (Rotorblattüberwachungssystem)
6: Auswerteeinrichtung (zentrale Auswertestation)
7: Empfangseinrichtung
8: Anlagensteuerung
9: kabelgebundene Kommunikationsschnittstelle
10: Sensoreinrichtung
11: autarke Energieversorgung (Energy-Harvester, Power-Harvester)
12: Leistungs-Management
13: Sensor
14: Kommunikationseinrichtung
15: Lasersystem
16: warme Platte
17: Wandler des Wärmeflusses in elektrische Energie
18: kalte Platte
19: gerichteter Laserstrahl
20: Sendespule
21: Empfangsspule
22: elektromagnetischer Energiefluss
24: Lineargenerator
26: Dauermagnet
28: Spule
30: Eisenkern
32: Führungsschiene
34: Ende der Spule
36: Schritt des Überwachens
38: Schritt des Bereitstellens des Überwachungssignals
40: Schritt des Bereitstellens einer elektrischen Energie

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

DE 10065314 A1 [0004, 0004]

Claims

Sensorsystem (5) zur Rotorblatt-Überwachung für eine Windkraftanlage, mit folgenden Merkmalen: ein Sensor (13) zur Überwachung eines Zustands eines Rotorblatts (4) der Windkraftanlage, wobei der Sensor (13) ausgebildet ist ein Überwachungssignal bereitzustellen, welches zumindest eine Zustandsgröße des Rotorblatts (4) repräsentiert; eine Kommunikationseinrichtung (14), die ausgebildet ist, das Überwachungssignal für eine entsprechende Empfangseinrichtung (7) kabellos als Funksignal bereitzustellen; und eine autarke Energieversorgung (11), die ausgebildet ist, elektrische Energie aus dem Umfeld der autarken Energieversorgung (11) zu gewinnen und für den Betrieb des Sensors (13) und/oder der Kommunikationseinrichtung (14) bereitzustellen.
Sensorsystem (5) gemäß Anspruch 1, bei dem die autarke Energieversorgung (11) ausgebildet ist, Bewegungsenergie angeregt durch eine Rotation des Sensorsystems (5) und/oder angeregt durch eine Vibration des Sensorsystems (5) in elektrische Energie zu wandeln.
Sensorsystem (5) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Energiespeichervorrichtung, die mit der autarken Energieversorgung (11) verbunden ist, wobei die Energiespeichervorrichtung ausgebildet ist zur Speicherung der von der autarken Energieversorgung (11) empfangenen Energie und/oder zum Bereitstellen elektrischer Energie für den Betrieb des Sensors (13) und/oder der Kommunikationseinrichtung (14).
Sensorsystem (5) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer sekundären Energieversorgung, welche ausgebildet ist, elektrische Energie bereitzustellen, wobei Energie mit elektromagnetischen Wellen (22) und/oder gebündeltem Licht (19) übertragen wird, wenn die autarke Energieversorgung (11) nicht ausreichend elektrische Energie zum Betrieb des Sensors (13) und/oder der Kommunikationseinrichtung (14) bereitstellt.
Verfahren zum Überwachen eines Rotorblatts (4) für eine Windkraftanlage, welches die folgenden Schritte aufweist: Überwachen (36) eines Zustands eines Rotorblatts (4) der Windkraftanlage mit einem Sensor (13), wobei der Sensor (13) ausgebildet ist, ein Überwachungssignal bereitzustellen, welches zumindest eine Zustandsgröße des Rotorblatts (4) repräsentiert; Bereitstellen des Überwachungssignals (38) an einer Kommunikationseinrichtung (14) für eine Empfangseinrichtung (7); und Bereitstellen einer elektrischen Energie (40) mit einer autarken Energieversorgung (11), wobei die autarke Energieversorgung (11) ausgebildet ist, die elektrische Energie aus dem Umfeld der autarken Energieversorgung (11) zu gewinnen und für den Betrieb des Sensors (13) und/oder der Kommunikationseinrichtung (14) bereitzustellen.
Windkraftanlage mit einem Überwachungssystem, wobei die Windkraftanlage einen Rotor mit zumindest einem Rotorblatt (4) aufweist, wobei die Windkraftanlage die folgenden Merkmale aufweist: ein Sensorsystem (5) zur Rotorblatt-Überwachung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welches an dem zumindest einem Rotorblatt (4) angeordnet ist; eine Empfangseinrichtung (7), die ausgebildet ist, das kabellos übertragene Überwachungssignal zu empfangen; und eine Auswerteeinrichtung (6) zum Bewerten des Überwachungssignals, um die Windkraftanlage zu überwachen.
Windkraftanlage gemäß Anspruch 6, bei dem die Empfangseinrichtung (7) an einer Nabe (3) und/oder in einer Gondel (2) und/oder in einem Turmfuß (1) der Windkraftanlage angeordnet ist.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem die Auswerteeinrichtung (6) an einer Nabe (3) und/oder in einer Gondel (2) und/oder in einem Turmfuß (1) der Windkraftanlage angeordnet ist.
Windkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Auswerteeinrichtung (6) mit einer Anlagensteuerung (8) der Windkraftanlage verbunden ist.