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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage, auf eine Vorrichtung zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage sowie auf eine entsprechende Windenergieanlage.
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Bei einer Windkraftanlage oder Windenergieanlage ist ein Rotor an einer Gondel befestigt. Die Gondel kann gedreht werden, um den Rotor entsprechend der Windrichtung auszurichten. Windkraftanlagen werden auf einen maximalen Ertrag aus der Windkraft gesteuert. Dabei können hohe Belastungen der Komponenten auftreten, sodass es zu Verschleißschäden kommen kann, die nicht immer rechtzeitig erkannt werden können. In der Folge kann es zu Ausfällen kommen, die insbesondere bei Anlagen auf dem Meer zu extrem hohen Reparaturkosten führen können.
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Alle Windenergieanlagen mit einer horizontalen Achse werden immer nach der Windrichtung ausgerichtet, um durch eine senkrechte Anströmung auf die Rotorebene die Windkraft optimal nutzen zu können. Grundsätzlich wird zwischen passiven Systemen, welche die Antriebskraft zur Windrichtungsnachführung aus dem Wind generieren, und aktiven Systemen mit externer elektrischer oder hydraulischer Hilfsenergie unterschieden. Alle modernen Windenergieanlagen werden durch aktive Systeme mit Azimutantrieben automatisch nachgeführt. Die Windrichtungsnachführung wird durch hydraulische Motoren oder Elektromotoren gewährleistet. Die Windrichtung wird über Sensoren ermittelt und durch eine Steuerung an die Aktoren übermittelt. Das Maschinenhaus wird durch bis zu acht Getriebemotoren nach dem Wind ausgerichtet. Einschaltzeiten, Dauer und Drehrichtung des Motors werden über einen Windrichtungssensor mit entsprechender Software gesteuert. Zusätzlich werden Bremsen am Turmkranz montiert, die nur bei Windrichtungsänderungen gelöst werden. Ohne diese Bremsen würden die Zahnräder bei Windschwankungen und Böen stark verschleißen.” (Quelle: http://www.wind-energie.de) Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage, weiterhin eine Vorrichtung zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage, die dieses Verfahren verwendet, eine entsprechende Windenergieanlage sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Da die Leistung einer Windenergieanlage mit der dritten Potenz von der Windgeschwindigkeit abhängt, kommt der richtigen Ausrichtung der Windenergieanlage besondere Bedeutung zu. Die optimale Position der Gondel kann unter Umständen damit auch leicht von der gemittelten Windrichtung abweichen, da mittlere Windrichtung und Richtung der höchsten Windgeschwindigkeit nicht notwendigerweise identisch sein müssen. Für eine entsprechende Steuerung gilt es einerseits, Windrichtung und Windstärke korrekt zu erfassen, andererseits muss auch die absolute Position der Gondel mit einer ausreichenden Genauigkeit bekannt sein. Die Erfassung von Windstärke und Windrichtung erfolgt bei den meisten Anlagen auf der Gondel hinter den Rotorblättern. Dort entstehen allerdings Verwirbelungen, welche die Messergebnisse verfälschen können. Die Nachführung der Gondel wird durch einen Azimutantrieb realisiert. Teil des Azimutantriebs ist ein Zahnkranz, auf welchem eine Sensorik zur Bestimmung der Gondelposition installiert ist. Die Bestimmung der absoluten Gondelposition ist aktuell nur auf wenige Grad genau (2–3°). Sowohl die Ungenauigkeiten der Windmessung als auch die Ungenauigkeit der Bestimmung der absoluten Gondelposition führen dazu, dass die Gondel der Windenergieanlage nicht exakt in den Wind ausgerichtet werden kann. Eine Fehlausrichtung der Gondel von nur 2–3° kann bereits zu einem Leistungsverlust von 3–5% führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass über zumindest ein Beschleunigungssignal und alternativ oder ergänzend zumindest eine Drehrate eine Lageveränderung zumindest einer Komponente, die mit dem Messpunkt des Beschleunigungssignals oder der Drehrate in Bezug steht, abgeleitet werden kann. Über die Lageveränderung und deren Bewertung kann eine Belastung der Komponente, wie beispielsweise eine auf die Komponente wirkende Querkraft, bestimmt werden. Über die Lageveränderung der Komponente kann auch auf die auf den Triebachsenstrang der Windenergieanlage wirkenden Kräfte geschlossen werden.
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Vorteilhafterweise kann eine Windenergieanlage bzw. ein Rotor der Windenergieanlage genauer ausgerichtet werden. Eine optimierte Ausrichtung einer Windenergieanlage kann vorteilhaft zu einer Reduzierung von auf Komponenten der Windenergieanlage wirkenden Querkräften führen. So kann auch eine Reduzierung von Schwingungen in der Windenergieanlage erzielt werden. Geringere Querkräfte und geringere Schwingungen in einer Windenergieanlage können zu geringeren Belastungen der Komponenten der Windenergieanlage führen und somit auch zu einer Reduzierung von Verschleiß beitragen. Gleichzeitig kann die von der Windenergieanlage generierte Leistung erhöht werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage, wobei ein Sensor an einer Messposition an der Windenergieanlage angeordnet ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einlesen zumindest eines Messsignals, wobei das Messsignal eine von dem Sensor erfasste Beschleunigung in Richtung einer Triebstrangachse der Windenergieanlage an der Messposition repräsentiert;
Bestimmen eines Bewegungsprofils der Triebstrangachse unter Verwendung des Messsignals; und
Bewerten des Bewegungsprofils, um den Rotor optimiert auszurichten.
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Die Windenergieanlage kann einen Turm, eine auf dem Turm angeordnete Gondel und einen Rotor aufweisen. Durch eine Drehung des Rotors kann ein in der Gondel angeordneter Generator angetrieben werden. Der Rotor kann zumindest ein Rotorblatt aufweisen. In einer Ausführungsform kann der Rotor zumindest zwei Rotorblätter aufweisen. Das zumindest eine Rotorblatt kann über eine Rotorwelle mit dem Generator verbunden sein. Das zumindest eine Rotorblatt und die Rotorwelle können zusammen den Rotor bilden. Die Rotorwelle kann entlang einer Triebstrangachse ausgerichtet sein. In der Gondel der Windenergieanlage kann ein Generator, eine Generatorwelle, eine Kupplung, ein Getriebe, ein Hauptlager oder eine Rotorwelle entlang der Triebstrangachse angeordnet sein. Die einzelnen Elemente der Windenergieanlage wie die Gondel, der Generator, die Generatorwelle, die Kupplung, das Getriebe, das Hauptlager oder die Rotorwelle können allgemein als Komponenten der Windenergieanlage bezeichnet werden. Eine Messposition kann an einer der Komponenten der Windenergieanlage sein. Die Messposition kann durch die Anordnung des Sensors an einer Messposition definiert sein. Unter einer Beschleunigung in Richtung der Triebstrangachse kann eine im Wesentlichen parallel zur Triebstrangachse wirkende Beschleunigung verstanden werden.
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Im Schritt des Einlesens kann ein zweites Messsignal eingelesen werden. Dabei kann das zweite Messsignal eine Beschleunigung in einer zweiten Erfassungsrichtung quer zur Richtung der Triebstrangachse repräsentieren. Im Schritt des Bestimmens kann das Bewegungsprofil auch unter Verwendung des zweiten Messsignals bestimmt werden. Wenn im Schritt des Einlesens ein Messsignal, insbesondere ein erstes Messsignal, und ein zweites Messsignal eingelesen werden, so kann im Schritt des Bestimmens das Bewegungsprofil unter Verwendung des Messsignals, insbesondere des ersten Messsignals, und des zweiten Messsignals bestimmt werden.
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Im Schritt des Einlesens kann ein drittes Messsignal eingelesen werden, wenn im Schritt des Einlesens bereits ein zweites Messsignal eingelesen wird. Dabei kann das dritte Messsignal eine Beschleunigung in einer dritten Erfassungsrichtung quer zur Richtung der Triebstrangachse und quer zur zweiten Erfassungsrichtung repräsentieren. Wenn im Schritt des Einlesens ein drittes Messsignal eingelesen wird, kann im Schritt des Bestimmens das Bewegungsprofil auch unter Verwendung des dritten Messsignals bestimmt werden. So kann im Schritt des Bestimmens das Bewegungsprofil unter Verwendung des ersten Messsignals, des zweiten Messsignals und des dritten Messsignals bestimmt werden.
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Das Messsignal kann eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die Triebstrangachse repräsentieren. Alternativ kann das Messsignal eine Beschleunigung in Richtung der Triebstrangachse sowie eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die Triebstrangachse repräsentieren. Unter dem Messsignal kann das erste Messsignal verstanden werden. Das zweite Messsignal kann eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die zweite Erfassungsrichtung repräsentieren. Alternativ kann das zweite Messsignal eine Beschleunigung in Richtung der zweiten Erfassungsrichtung sowie eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die zweite Erfassungsrichtung repräsentieren. Das dritte Messsignal kann eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die dritte Erfassungsrichtung repräsentieren. Alternativ kann das dritte Messsignal eine Beschleunigung in Richtung der dritten Erfassungsrichtung sowie eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die dritte Erfassungsrichtung repräsentieren.
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Das Messsignal, insbesondere das erste Messsignal, und ersatzweise oder ergänzend das zweite Messsignal und alternativ oder ergänzend das dritte Messsignal können ein von einem Inertialsensor bereitgestelltes Signal repräsentieren. Dabei kann das bereitgestellte Signal eine Beschleunigung und ersatzweise oder ergänzend eine Drehrate repräsentieren. Dabei können in einer Ausführungsform eine Mehrzahl von Inertialsensoren in einer inertialen Messeinheit kombiniert werden. Auch die inertiale Messeinheit kann als ein Sensor bezeichnet werden. Mit einer inertialen Messeinheit können Beschleunigungen von sechs Freiheiten bzw. Freiheitsgraden gemessen werden. Wenn ein Sensor eine Mehrzahl von Signalen bereitstellt, die eine Beschleunigung und alternativ oder ergänzend eine Drehrate repräsentieren, so kann die Mehrzahl von Signalen in einem die Information von allen Signalen repräsentierenden Signal zusammengefasst sein.
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Das Messsignal und gleichzeitig oder alternativ das zweite Messsignal und gleichzeitig oder alternativ das dritte Messsignal können ein Signal von dem an einem Rotorblatt und gleichzeitig oder alternativ an einer Nabe und gleichzeitig oder alternativ an einer Rotorwelle und gleichzeitig oder alternativ an einem Lager, insbesondere an einem Hauptlager, und gleichzeitig oder alternativ an einem Generator und gleichzeitig oder alternativ an einem Getriebe und gleichzeitig oder alternativ an einem Maschinenträger und gleichzeitig oder alternativ an einer Bremse und gleichzeitig oder alternativ an einem Turm der Windenergieanlage angeordneten Sensor repräsentieren. So kann der Messpunkt an einem Rotorblatt und gleichzeitig oder alternativ an einer Nabe und gleichzeitig oder alternativ an einer Rotorwelle und gleichzeitig oder alternativ an einem Lager, insbesondere an einem Hauptlager, und gleichzeitig oder alternativ an einem Generator und gleichzeitig oder alternativ an einem Getriebe und gleichzeitig oder alternativ an einem Maschinenträger und gleichzeitig oder alternativ an einer Bremse und gleichzeitig oder alternativ an einem Turm der Windenergieanlage angeordnet sein. Verallgemeinert kann der Messpunkt an einer Komponente der Windenergieanlage angeordnet sein.
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Im Schritt des Einlesens kann ein weiteres Messsignal eingelesen werden. Das weitere Messsignal kann eine Beschleunigung in Richtung der Triebstrangachse der Windenergieanlage an einer zweiten Messposition repräsentieren. Das weitere Messsignal kann eine Drehrate um die Triebstrangachse an einer zweiten Messposition repräsentieren. Das weitere Messsignal kann eine Beschleunigung quer zu der Triebstrangachse der Windenergieanlage an einer zweiten Messposition repräsentieren. Das weitere Messsignal kann eine Drehrate um eine Richtung quer zur Triebstrangachse an einer zweiten Messposition repräsentieren. Das weitere Messsignal kann eine Beschleunigung und eine Drehrate repräsentieren. Das weitere Messsignal kann von einem weiteren Sensor bereitgestellt werden. Der weitere Sensor kann an einer Komponente der Windenergieanlage an einer zweiten Messposition angeordnet sein. Dabei kann die zweite Messposition von der ersten Messposition verschieden sein. Im Schritt des Bestimmens kann das Bewegungsprofil auch unter Verwendung des weiteren Messsignals bestimmt werden. Der weitere Sensor kann dem ersten Sensor entsprechen. Die zweite Messposition den weiteren Messsignals kann einen zweiten Messpunkt repräsentieren. So kann der zweite Messpunkt an einem Rotorblatt und gleichzeitig oder alternativ an einer Nabe und gleichzeitig oder alternativ an einer Rotorwelle und gleichzeitig oder alternativ an einem Lager, insbesondere an einem Hauptlager, und gleichzeitig oder alternativ an einem Generator und gleichzeitig oder alternativ an einem Getriebe und gleichzeitig oder alternativ an einem Maschinenträger und gleichzeitig oder alternativ an einer Bremse und gleichzeitig oder alternativ an einem Turm der Windenergieanlage angeordnet sein. Verallgemeinert kann der zweite Messpunkt an einer Komponente der Windenergieanlage angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum optimierten Ausrichten einer Windenergieanlage, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann 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. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zum optimierten Ausrichten einer Windenergieanlage, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung, insbesondere auf einer Vorrichtung zum optimierten Ausrichten einer Windenergieanlage, ausgeführt wird
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Windenergieanlage mit einem an einer Messposition der Windenergieanlage angeordneten Sensor und mit einer Vorrichtung zum optimierten Ausrichten einer Windenergieanlage, wobei der Sensor ausgebildet ist zumindest ein Messsignal bereitzustellen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, ein Bewegungsprofil der Triebstrangachse der Windenergieanlage unter Verwendung des Messsignals zu bestimmen und/oder zu bewerten, um einen Rotor der Windenergieanlage optimiert auszurichten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage in einer Aufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage und deren Komponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem 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 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Windenergieanlage 100 umfasst einen Turm 102, eine auf dem Turm angeordnete Gondel 104 sowie einen Rotor 106. Die Windenergieanlage umfasst weiterhin eine Vorrichtung 108 zum optimierten Ausrichten des Rotors 106 der Windenergieanlage 100, wobei die Vorrichtung 108 mit einem Sensor 110 verbunden ist. Der Rotor 106 ist ausgebildet, um eine Triebstrangachse 112 zu rotieren. Der Rotor 106 umfasst zumindest ein über eine Nabe 114 um die Triebstrangachse 112 rotierendes Rotorblatt 116. Die Windenergieanlage 100 bzw. im Besonderen der Rotor 106 der Windenergieanlage 100 wird von einem Wind aus einer Windrichtung 118 umströmt.
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Der Sensor 110 ist je nach Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, zumindest eine Beschleunigung und ergänzend oder alternativ zumindest eine Drehrate zu erfassen. In einem Ausführungsbeispiel ist der Sensor 110 ausgebildet, eine Beschleunigung in Richtung x der Triebstrangachse 112 zu messen und ein entsprechendes Messsignal bereitzustellen. In einem Ausführungsbeispiel ist der Sensor 110 ausgebildet, neben der Beschleunigung in Richtung x der Triebstrangachse 112 eine Drehrate um die Triebstrangachse 112 zu erfassen.
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Eine zweite Erfassungsrichtung y des Sensors 110 steht senkrecht auf der ersten Erfassungsrichtung x in Richtung der Triebstrangachse 112. Eine dritte Erfassungsrichtung z steht senkrecht auf der zweiten Erfassungsrichtung y und zur ersten Erfassungsrichtung x. Je nach Ausführungsbeispiel ist der Sensor 110 ausgebildet, eine oder mehrere der Erfassungsrichtungen x, y, z zu erfassen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage 100 in einer Aufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Windenergieanlage 100 kann es sich um die in 1 gezeigte Windenergieanlage 100 handeln, wobei die in 1 in einer Seitenansicht gezeigte Windenergieanlage 100 in 2 in einer schematischen Darstellung von oben dargestellt ist. Eine Triebstrangachse 112 erstreckt sich über die Nabe eines Rotors 106 und eine Gondel 104 der Windenergieanlage 100 der Rotor 106 ist ausgebildet, um die Triebstrangachse 112 zu rotieren. Zwischen einer Rotorachse, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Triebstrangachse 112 entspricht, und der Windrichtung 118 ist ein Gierwinkel Ψ aufgespannt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage 100 und deren Komponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Windenergieanlage 100 kann es sich um die in 1 gezeigte Windenergieanlage 100 handeln. Eine Gondel 104 der Windenergieanlage 100 weist entlang einer Triebstrangachse 112 einen Generator 330, eine Generatorwelle 332, eine Kupplung 334, ein Hauptlager 336, ein Getriebe 338, eine Rotorwelle 340 sowie ein optionales zweites Hauptlager 342 auf. Die Rotorwelle 340 ist mit der Nabe 114 des Rotors verbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abfolge der Komponenten vom Rotor aus gesehen: die Nabe 114, das Hauptlager 336, optional das zweite Hauptlager 342, das Getriebe 338, eine nicht dargestellte Bremse, die Kupplung 334, sowie der Generator 330. In einem Ausführungsbeispiel wird die Rotorwelle 340 von dem Hauptlager 342 und einem nicht dargestellten Getriebeeingangslager gelagert. Dabei kann man von einer 3-Punkt-Lagerung sprechen. Wenn die Windenergieanlage 100 ein zweites Hauptlager 342 aufweist, kann man von einer 4-Punkt-Lagerung sprechen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle 340 in dem Lager 342 sowie dem Hauptlager 336 gelagert. Über die Kupplung 334 ist die Rotorwelle 340 mit der Generatorwelle 332 verbunden.
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In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Windenergieanlage kein Getriebe auf. So kann die Nabe 114 getriebelos mit dem Generator 330 verbunden sein.
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In einem Ausführungsbeispiel ist eine oder mehrere der Komponenten der Windenergieanlage mit einem in 3 nicht dargestellten Maschinenträger verbunden.
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Die Windenergieanlage 100 umfasst weiterhin eine Vorrichtung 108 zum optimierten Ausrichten des Rotors 106 der Windenergieanlage 100, die mit einem Sensor 110 wirkverbunden ist. In einem Ausführungsbeispiel weist die Windenergieanlage 100 einen weiteren Sensor 344 auf. Je nach Ausführungsbeispiel kann der Sensor 110, und wenn vorhanden der weitere Sensor 344, auf oder in einer Komponente der Windenergieanlage 100 angeordnet sein. So kann der Sensor 110 je nach Ausführungsbeispiel an dem Generator 330, der Generatorwelle 332, der Kupplung 334, dem Hauptlager 336, dem Getriebe 338 oder der Rotorwelle 340 angeordnet sein. In einem Ausführungsbeispiel kann der Sensor 110 an der Nabe 114 des Generators 106 angeordnet sein. Ergänzend kann der weitere Sensor 344 in einem Ausführungsbeispiel an dem Generator 330, der Generatorwelle 332, der Kupplung 334, dem Hauptlager 336, dem Getriebe 338 oder der Rotorwelle 340 angeordnet sein. In einem Ausführungsbeispiel kann der weitere Sensor 344 an der Nabe 114 des Generators 106 angeordnet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel sind der Sensor 110 und der weitere Sensor 344 an unterschiedlichen Messpositionen, insbesondere an unterschiedlichen Komponenten der Windenergieanlage, abgeordnet. Dabei ist die geometrische Lage der Sensoren 110, 344 bekannt.
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Bei dem Sensor 110 kann es sich in einem Ausführungsbeispiel um einen Inertialsensor handeln. Gleiches gilt für den weiteren Sensor 344. Beide Sensoren können ausgebildet sein, ein oder mehrere Messsignale bereitzustellen, wobei ein Messsignal zumindest eine Beschleunigung oder zumindest eine Drehrate repräsentieren kann. Wenn ein Sensor eine Mehrzahl an Beschleunigungen oder Drehraten erfasst, so stehen in einem Ausführungsbeispiel die Erfassungsrichtungen senkrecht aufeinander. Wenn der Sensor 110 oder der weitere Sensor 344 Signale für eine Mehrzahl von Erfassungsrichtungen erfasst, so kann er diese in einem Messsignal zusammenfassen oder alternativ ein erstes Messsignal, ein zweites Messsignal und/oder einer drittes Messsignal bereitstellen.
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Der Sensor 110 ist an einer vordefinierten ersten Messposition angeordnet, deren geometrische Lage bekannt ist. Wenn in einem Ausführungsbeispiel ein weiterer Sensor 344 genutzt wird, so ist dessen zweite Messposition, an der der weitere Sensor 344 angeordnet ist, bekannt. Die bekannte Lageinformation kann in einer Signalauswertung ausgenutzt werden.
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Inertialsensoren 110, 344 sind in einem Ausführungsbeispiel auf den einzelnen Komponenten der Windenergieanlage 100 wie beispielsweise Rotorblatt 116, Nabe 114, Rotorwelle 340, Hauptlager 336, Getriebe 338, Generator 330 oder Turm 102 montiert und sind ausgebildet, dort Beschleunigungen in eine oder mehr Raumrichtungen und ersatzweise oder ergänzend Drehraten um eine oder mehrere Achsen zu messen. Durch die aufgenommen Werte kann eine Aussage abgeleitet werden, wie sich die Lage der Komponenten und im Besonderen die Lage der Komponenten zueinander verändert hat. Hieraus lassen sich die Belastungen wie beispielsweise Querkräfte der jeweiligen Komponenten bestimmen.
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Eine Fehlausrichtung der Windenergieanlage 100 liegt dann vor, wenn zwischen Rotorachse 340 und Windrichtung ein Winkel aufgespannt wird. In 2 ist die Windrichtung mit dem Bezugszeichen 118 versehen sowie der von der Triebstrangachse 112 bzw. Rotorachse 340 auf gespannte Gierwinkel mit dem Bezugszeichen Ψ versehen. Bei einem Gierwinkel größer null, d. h. einer Fehlausrichtung der Windenergieanlage 100, wird einerseits die Leistung der Anlage 100 reduziert, da sich die effektiv angeströmte Rotorblattfläche verringert, andererseits bewirkt die Queranströmung auch entsprechende Querkräfte in der Anlage 100, welche Schwingungen verursachen und die Belastungen an den Komponenten signifikant erhöhen und sogar zu verschleißintensiven Betriebszuständen führen kann.
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Die Vorrichtung 108 ist ausgebildet, basierend auf den durch die Sensorik 110, 344 erfassten Belastungen, insbesondere der gemessenen Beschleunigungen und über die Masseanteile errechneten Kräfte auf die Komponenten, insbesondere des Antriebsstrangs wie beispielsweise Rotorblätter 116, Nabe 114, Rotorwelle 340, Hauptlager 336, Getriebe 334, Generatorwelle 332 mit Kupplung 334 und Generator 330 und insbesondere der Anteile der Beschleunigungen die quer zum Antriebsstrang wirken, d. h. Querbeschleunigungen bzw. daraus errechnet Querkräfte, auf eine potenzielle Fehlausrichtung der Anlage 100 zurückgeschlossen werden kann. Mithilfe einer entsprechenden Regelung wird mit dem Ziel der Minimierung von Querkräften eine optimierte Ausrichtung der Windenergieanlage 100 erzielt.
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Das Messsystem 108, 110, 344 besteht aus einem in mindesten einer Achse x (in Richtung der Triebstrangachse 112), vorteilhaft in zwei Achsen x, y (in Richtung der Triebstrangachse und quer zur Triebstrangachse oder alternativ in Rotationsrichtung), besonders vorteilhaft in drei Achsen x, y, z messenden System (zusätzlich noch in einer dritten Erfassungsrichtung z die quer zur Triebstrangachse 112 und einer zweiten Erfassungsrichtung y die ebenfalls quer zur Triebstrangachse 112 ausgerichtet ist oder alternativ in Richtung der Rotorblattachse, einer Zentrifugalkraft folgend), dass die Beschleunigungen und vorzugsweise auch die Drehraten der entsprechenden Achsen x, y, z ermittelt. Über die Drehraten können die Beschleunigungsmesswerte in den jeweilig gewünschten Messpunkt, vorzugsweise die Masseschwerpunkte der einzelnen Komponenten, transformiert werden.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Windenergieanlage kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in 1 bis 3 gezeigten Windenergieanlage handeln. An einer Messposition der Windenergieanlage ist dabei ein Sensor angeordnet, der ein Messsignal bereitstellt. Das Verfahren 400 zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage umfasst einen Schritt 410 des Einlesens zumindest eines Messsignals, einen Schritt 420 des Bestimmens eines Bewegungsprofils der Triebstrangachse unter Verwendung des Messsignals sowie einen Schritt 430 des Bewertens des Bewegungsprofils, um den Rotor optimiert auszurichten. Das Messsignal repräsentiert dabei eine Beschleunigung in Richtung einer Triebstrangachse der Windenergieanlage an der Messposition.
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In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 410 des Einlesens ein zweites Messsignal eingelesen. Das zweite Messsignal repräsentiert eine Beschleunigung in einer zweiten Erfassungsrichtung quer zur Richtung der Triebstrangachse. Wenn im Schritt 410 des Einlesens ein zweites Messsignal eingelesen wird, wird im Schritt 420 des Bestimmens das Bewegungsprofil auch unter Verwendung des zweiten Messsignals bestimmt.
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In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 410 des Einlesens ein drittes Messsignal eingelesen. Das dritte Messsignal repräsentiert eine Beschleunigung in einer dritten Erfassungsrichtung quer zur Richtung der Triebstrangachse und quer zur zweiten Erfassungsrichtung. Wenn im Schritt 410 des Einlesens ein drittes Messsignal eingelesen wird, wird im Schritt des Bestimmens das Bewegungsprofil auch unter Verwendung des dritten Messsignals bestimmt.
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In einem Ausführungsbeispiel repräsentiert das Messsignal eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die Triebstrangachse. Alternativ repräsentiert das Messsignal in einem Ausführungsbeispiel eine Beschleunigung in Richtung der Triebstrangachse sowie eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die Triebstrangachse. In einem Ausführungsbeispiel repräsentiert das zweite Messsignal alternativ oder ergänzend eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die zweite Erfassungsrichtung. Alternativ repräsentiert das zweite Messsignal in einem Ausführungsbeispiel eine Beschleunigung in Richtung der zweiten Erfassungsrichtung sowie eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die zweite Erfassungsrichtung. In einem Ausführungsbeispiel repräsentiert das dritte Messsignal alternativ oder ergänzend eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die dritte Erfassungsrichtung. Alternativ repräsentiert das dritte Messsignal in einem Ausführungsbeispiel eine Beschleunigung in Richtung der dritten Erfassungsrichtung sowie eine Drehrate als Winkelgeschwindigkeit um die dritte Erfassungsrichtung. Das erste Messsignal und ersatzweise oder ergänzend das zweite Messsignal und ersatzweise oder ergänzend das dritte Messsignal können in einem Messsignal zusammengefasst sein. So kann ein Messsignal das erste Messsignal, das zweite Messsignal und das dritte Messsignal repräsentieren.
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In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens 400 wird im Schritt 410 des Einlesens ein weiteres Messsignal eingelesen. Dabei repräsentiert das weitere Messsignal eine Beschleunigung in Richtung einer Triebstrangachse der Windenergieanlage an einer zweiten Messposition, wobei das weitere Messsignal von einem weiteren Sensor bereitgestellt wird. Wenn im Schritt 410 des Einlesens ein weiteres Messsignal eingelesen wird, wird im Schritt 420 des Bestimmens das Bewegungsprofil auch unter Verwendung des weiteren Messsignals bestimmt, wobei die zweite Messposition des weiteren Sensors von der ersten Messposition des Sensors verschieden ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 108 zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Windenergieanlage kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in den 1 bis 3 gezeigten Windenergieanlage 100 handeln. Bei der Vorrichtung 108 zum optimierten Ausrichten eines Rotors einer Windenergieanlage kann es sich um eine in 1 und 3 gezeigte Vorrichtung 108 handeln. Die Vorrichtung 108 weist eine Schnittstelle 552 zum Einlesen zumindest eines Messsignals 554, 556, 558, 560 auf. So kann die Schnittstelle 552 ein erstes Messsignal 554, ein zweites Messsignal 556, ein drittes Messsignal 558 und ersatzweise oder ergänzend ein weiteres Messsignal 560 einlesen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 108 eine Einrichtung 562 zum Bestimmen eines Bewegungsprofils 564 der Triebstrangachse unter Verwendung des oder der über die Schnittstelle 552 eingelesenen Messsignale 554, 556, 558, 560. In einer Einrichtung 566 zum Bewerten des Bewegungsprofils wird das von der Einrichtung 562 bestimmte Bewegungsprofil 564 bewertet, um einen Rotor der Windenergieanlage optimiert auszurichten. Insbesondere kann der Rotor der Windenergieanlage mit einem minimalen Gierwinkel, d. h. in einem Idealfall einem Gierwinkel von 0° ausgerichtet werden. Ein entsprechendes Steuersignal oder Korrektursignal kann von der Einrichtung 566 zum Bewerten des Bewegungsprofils über eine Schnittstelle 568 einer Steuerung der Windenergieanlage bereitgestellt werden. Dabei kann in einem Ausführungsbeispiel die Vorrichtung 108 Teil der Steuerung der Windenergieanlage sein.
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Wie voranstehend beschrieben, ist die Schnittstelle 552 ausgebildet, ein oder mehrere Messsignale einzulesen. Bei dem ersten Messsignal 554 kann es sich um eine Beschleunigung in Richtung einer Triebstrangachse der Windenergieanlage und ersatzweise oder ergänzend um eine Drehrate um die Triebstrangachse der Windenergieanlage handeln. Bei dem zweiten Messsignal 556 kann es sich um eine Beschleunigung in eine zweite Erfassungsrichtung quer zur Triebstrangachse und alternativ oder ergänzend um eine Drehrate um die zweite Erfassungsrichtung handeln. Bei dem dritten Messsignal 558 kann es sich um eine Beschleunigung in eine dritte Erfassungsrichtung quer zur Triebstrangachse sowie quer zur zweiten Erfassungsrichtung und alternativ oder ergänzend um eine Drehrate um die dritte Erfassungsrichtung handeln. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Messsignal 554 das hier beschriebene erste Messsignal 554, das zweite Messsignal 556 sowie das dritte Messsignal 558 repräsentieren. Das weitere Messsignal 560 kann sich von dem Messsignal 554 in der Art unterscheiden, dass es Beschleunigungen und/oder Drehraten an einer zweiten Messposition repräsentiert, wobei die zweite Messposition von einer ersten Messposition, die dem Messsignal 554 bzw. in einem Ausführungsbeispiel dem ersten Messsignal 554, dem zweiten Messsignal 556 sowie dem dritten Messsignal 558 zugeordnet werden kann.
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Das an der Schnittstelle 568 bereitgestelltes Signal kann verwendet werden für eine Regelung zur optimierten Ausrichtung einer Windenergieanlage. Die genaue Ausrichtung der Gondel der Windenergieanlage in den Wind stellt eine wichtige Aufgabe für die Betreiber einer Windenergieanlage dar. Eine Abweichung von der optimalen Position um wenige Grad kann bereits einen signifikanten Leistungsverlust bedeuten. Eine entsprechende sensorgestützte Regelung kann eine optimierte Energieausbeute der Windenergieanlage erzielen.
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Ein Aspekt der vorgestellten Erfindung ist es, eine Fehlausrichtung einer Windenergieanlage durch Querbeschleunigung bzw. Querkräfte (Massen sind bekannt) und Momente zu erkennen und entsprechende Regelgrößen für die Anlagensteuerung daraus abzuleiten. Die Ausrichtung der Windenergieanlage kann optimiert werden. Gleichzeitig wird Verschleiß im Antriebsstrang durch Minimierung der Querkräfte auf denselben vermieden.
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Durch die Korrelation der Beschleunigungswerte (und Drehratewerte) kann ein Bewegungsprofil des Triebstrangs errechnet und bewertet werden. Besondere Verformungen im Triebstang, die sich in den Querbeschleunigungen der Komponenten widerspiegeln, deuten auf eine Fehlausrichtung der Anlage hin. Diese Informationen werden in ihrem zeitlichen Verlauf betrachtet und stellen die Grundlage zur Errechnung einer Korrekturgröße dar, die durch das Sensorsystem der Anlagensteuerung zur Verfügung gestellt werden kann, um die Fehlausrichtung zu korrigieren. Eine ideal justierte und optimierte Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass die Querkräfte Null sind bzw. im zeitlichen Mittel Null sind. Dabei sind die betrachtete Zeitspanne, in der die Querkräfte Null sein sollen als auch die Grenzwerte, die die Querkräfte annehmen dürfen anlagenspezifische Parameter.
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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
- Windenergieanlage
- 102
- Turm
- 104
- Gondel
- 106
- Rotor
- 108
- Vorrichtung
- 110
- Sensor
- 112
- Triebstrangachse
- 114
- Nabe
- 116
- Rotorblatt
- 118
- Windrichtung
- x
- erste Erfassungsrichtung, Achse in Richtung der Triebstrangachse
- y
- zweite Erfassungsrichtung, quer zur Triebstrangachse
- z
- dritte Erfassungsrichtung, quer zur zweiten Erfassungsrichtung und quer zur Triebstrangachse
- Ψ
- Gierwinkel
- 330
- Generator
- 332
- Generatorwelle
- 334
- Kupplung
- 336
- Hauptlager
- 338
- Getriebe
- 340
- Rotorwelle
- 342
- zweites Hauptlager
- 344
- weiterer Sensor
- 400
- Verfahren
- 410
- Schritt des Einlesens
- 420
- Schritt des Bestimmens
- 430
- Schritt des Bewertens
- 552
- Schnittstelle zum Einlesen
- 554
- (erstes) Messsignal
- 556
- zweites Messsignal
- 558
- drittes Messsignal
- 560
- weiteres Messsignal
- 562
- Einrichtung zum Bestimmen
- 564
- Bewegungsprofil
- 566
- Einrichtung zum Bewerten
- 568
- Schnittstelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.wind-energie.de [0003]
