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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windenergieanlagen-Rotorblatt und eine Windenergieanlage.
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Zum Beispiel zur Erfassung der Belastung auf die Rotorblätter können entsprechende Sensoren in dem Rotorblatt integriert werden. Diese Sensoren können die Belastung des Rotorblattes erfassen und die entsprechenden Messsignale ausgeben. Die elektrische Anbindung derartiger Sensoren in einem Rotorblatt gestaltet sich jedoch oftmals z. B. im Hinblick auf einen Blitzschutz als schwierig.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Windenergieanlagen-Rotorblatt und eine Windenergieanlage vorzusehen, welche verbesserte Messmöglichkeiten in oder an dem Rotorblatt vorsehen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Windenergieanlagen-Rotorblatt nach Anspruch 1 sowie durch eine Windenergieanlage nach Anspruch 4 gelöst.
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Somit wird ein Windenergieanlagen-Rotorblatt vorgesehen, welches eine Rotorblattspitze und eine Rotorblattwurzel aufweist. Das Rotorblatt weist ferner mindestens eine Messtechnikeinheit zum Durchführen von Messungen sowie eine Energieübertragungseinheit zur Energieversorgung der Messtechnikeinheiten auf. Die Energieversorgungseinheit weist eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern zur Übertragung der Energie an die Messtechnikeinheit auf.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Rotorblatt ferner eine Einkopplungseinheit im Bereich der Rotorblattwurzel auf, welche zum Umwandeln von elektrischer Energie in optische Energie (z. B. Licht, elektromagnetische Wellen) dient. Die optische Energie wird in den mindestens einen Lichtwellenleiter angekoppelt. Die Messtechnikeinheiten sind dazu ausgestaltet, über den Lichtwellenleiter eingekoppelte optische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und für ihre Energieversorgung zu verwenden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen die Messtechnikeinheiten jeweils mindestens einen Sensor zum Messen von physikalischen Größen und einen Sender auf, welcher dazu geeignet ist, die Ausgangssignale des Sensors in optische Signale umzuwandeln und über den Lichtwellenleiter zu übertragen.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Windenergieanlage mit einem oben beschriebenen Rotorblatt und einer Auswerteeinheit zum Auswerten der empfangenen Signale der Messtechnikeinheiten.
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Gemäß der Erfindung wird ein Windenergieanlagen-Rotorblatt mit mindestens einem Sensor oder einer Messtechnikeinheit vorgesehen. Das Rotorblatt weist ferner eine Energieübertragungseinheit zur Energieversorgung der Sensoren und/oder der Messtechnik in dem Rotorblatt auf. Die Energieversorgungseinheit weist mindestens einen Lichtwellenleiter auf. An einem ersten Ende, z. B. im Bereich der Rotorblattwurzel, wird Energie in Form von elektromagnetischen Wellen, z. B. Licht, mittels einer Einkopplungseinheit in den Lichtwellenleiter eingekoppelt. An seinem zweiten Ende wird die eingekoppelte Energie mittels einer photoelektrischen Einheit in elektrische Energie umgewandelt. Diese umgewandelte elektrische Energie wird dann für die Energieversorgung des Sensors und/oder der Messtechnikeinheit verwendet.
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An den zweiten Enden der Lichtwellenleiter kann optional ein Sender vorgesehen sein, der die von dem Sensor und/oder der Messtechnikeinheit ausgegebenen Messsignale in optische Signale umwandelt, welche dann über den Lichtwellenleiter übertragen werden, und am ersten Ende des Lichtwellenleiters ist ein optischer Empfänger vorgesehen, der die übertragenen optischen Signale erfasst und in elektrische Signale umwandelt. Diese Signale können in einer Auswerteeinheit entsprechend ausgewertet werden und beispielsweise der zentralen Steuereinheit der Windenergieanlage zur Verfügung gestellt werden, die dann wiederum in Abhängigkeit dieser Signale den Betrieb der Windenergieanlage beeinflussen kann. Somit können die Lichtwellenleiter sowohl zur Energieübertragung als auch zur Signalübertragung verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist vorteilhaft, weil somit sowohl Blitzeinschläge als auch eine statische elektrische Aufladung vermieden bzw. reduziert werden können. Die Lichtwellenleiter dienen typischerweise der Übertragung von Licht und bestehen aus Fasern wie beispielsweise Quarzglas oder Kunststoff (polymere optische Fasern). Somit lassen sich die Lichtwellenleiter sehr gut in die übliche Struktur des Blattes beispielsweise bestehend aus GFK oder CFK integrieren. Des Weiteren verhalten sich die Lichtwellenleiter unkritisch bezüglich einer Dauerfestigkeit.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung, und
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Rotorblattes gemäß der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 200 und einem Spinner 110 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Die Pitchwinkel der Rotorblätter 200 können durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 200 verändert werden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Rotorblatts gemäß der Erfindung. Das Rotorblatt 200 weist eine Rotorblattspitze 210 und eine Rotorblattwurzel 220 auf. Das Rotorblatt ist vorzugsweise aus einem Faserverbundmaterial wie beispielsweise GFK oder CFK hergestellt. Das Rotorblatt 200 weist mehrere Sensoren oder Messtechnikeinheiten 400 zum Messen von physikalischen Größen auf. Im Bereich der Rotorblattwurzel 220 ist eine Einkopplungseinheit 330 vorgesehen. Ebenfalls im Bereich der Rotorblattwurzel ist ein optischer Empfänger 350 vorgesehen. Der optische Empfänger 350 ist mit einer Auswerteeinheit 320 gekoppelt. Die Einkopplungseinheit 330 ist mit einer Energieversorgung 310 gekoppelt. Die Sensoren oder die Messtechnikeinheiten 400 sind über Lichtwellenleiter 340, 341 mit dem Empfänger 350 und der Einkopplungseinheit 330 gekoppelt. In 1 sind hierzu unterschiedliche Lichtwellenleiter 340, 341 dargestellt. Alternativ dazu kann jedoch auch lediglich ein Lichtwellenleiter 340 von der Einkopplungseinheit 330 zu dem Sensor oder der Messtechnikeinheit 400 vorgesehen werden. Dieser Lichtwellenleiter 340 dient dann sowohl der Energieübertragung von der Einkopplungseinheit 330 an die Sensoren oder Messtechnikeinheiten 400 als auch der Übertragung von Daten von den Sensoren 400 an den Empfänger 350.
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Der Sensor oder die Messtechnikeinheit 400 weist eine Entkopplungseinheit 410 zum Empfangen der elektromagnetischen Wellen, z. B. in Form von Licht, über den Lichtwellenleiter 340 und zum Umwandeln dieser elektromagnetischen Wellen in elektrische Energie auf. Die Funktion der Entkopplungseinheit 410 entspricht somit im Wesentlichen der Funktion einer Photovoltaikeinheit bzw. einer photoelektrischen Einheit, da diese Einheit die empfangenen elektromagnetischen Wellen, z. B. Licht, in elektrische Energie umwandelt. Der Sensor bzw. die Messtechnikeinheit weist einen entsprechenden Sensor 420 und einen optischen Sender 430 auf. Der Sender 430 kann die elektrischen Ausgangssignale des Sensors 420 in optische Signale umwandeln und kann diese Signale über den Lichtwellenleiter 340 bzw. 341 an einen optischen Empfänger 350 weiterleiten.
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Damit werden die Lichtwellenleiter 340 in der Richtung von der Einkopplungseinheit 330 zu den Sensoren oder den Messtechnikeinheiten zur Energieversorgung und in der Richtung von den Sensoren oder der Messtechnikeinheit zu dem Empfänger 350 zur Datenübertragung der Ausgangssignale der Sensoren verwendet.
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Der Empfänger 350 empfängt die optischen Signale von den optischen Sendern 430 über die Lichtwellenleiter 340, 341 und wandelt diese Signale in elektrische Signale um. Die elektrischen Signale werden dann einer Auswerteeinheit 320 zugeführt.
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Die Auswerteeinheit 320 kann die ausgewerteten Messsignale der Sensoren und/oder der Messtechnikeinheiten 400 an eine zentrale Steuerung 500 weiterleiten, die in Abhängigkeit der erfassten Messsignale in den Betrieb der Windenergieanlage eingreifen kann. Dies kann beispielsweise durch Änderung des Pitchwinkels der Windenergieanlagen, durch Änderung des Azimutwinkels oder dergleichen erfolgen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Einkopplungseinheit 330 und/oder der Empfänger 350 ebenfalls einen optischen Sender aufweisen, mittels welchem Datensignale an die Sensoren 400 übertragen werden können. Diese Datenkommunikation kann beispielsweise zur Steuerung der Sensoren und/oder der Messtechnikeinheiten 400 erfolgen.
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Die Einkopplungseinheit 310 und/oder die Auswerteeinheit 320 können im Bereich der Rotorblattwurzel 220 oder im Bereich einer Nabe der Windenergieanlage vorgesehen sein.
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Mit der Einkopplungseinheit 310 kann beispielsweise elektrische Energie in optische Signale und damit optische Energie umgewandelt werden. Diese optische Energie kann mittels der Lichtwellenleiter 330 an die Sensoren und/oder Messtechnikeinheiten übertragen werden. In den Sensoren und/oder Messtechnikeinheiten kann die eingekoppelte optische Energie mittels der Entkopplungseinheit 410 in elektrische Energie umgewandelt werden, welche dann zur Energieversorgung der Sensoren 400 verwendet werden kann. Optional können die Sensoren 400 über einen Energiespeicher beispielsweise in Form von mindestens einem Kondensator verfügen.
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Der Sender 430 ist dazu ausgestaltet, die elektrischen Ausgangssignale der Sensoren 420 in optische Signale mit definierten Amplituden und/oder Frequenzen umzuwandeln und diese optischen Signale dann über die Lichtwellenleiter an den optischen Empfänger 350 zu übertragen.
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In der Auswerteeinheit 320 können die Messsignale der Sensoren und/oder der Messtechnikeinheiten 400 beispielsweise einer Spektrumsanalyse unterzogen werden.
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Die Sensoren 400 können beispielsweise Dehnungsmessstreifen als Sensoren 420 aufweisen.
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Mit einem erfindungsgemäßen Rotorblatt, dass eine Energieübertragung für die Sensoren und/oder Messtechnikeinheiten basierend auf Lichtwellenleitern aufweist, wird die Gefahr von Blitzeinschlägen und/oder statischen Aufladungen wesentlich reduziert, weil keine elektrischen Leitungen vorhanden sind.
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Da die Lichtwellenleiter typischerweise Glasfasern darstellen, ist eine Integration dieser Lichtwellenleiter in das Material des Rotorblattes unkritisch. Insbesondere weisen die Lichtwellenleiter und die Faserverbundwerkstoffe, die typischerweise bei Rotorblättern verwendet werden, den gleichen Dehnungskoeffizienten auf.
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Gemäß der Erfindung kann eine Einkopplungseinheit oder mehrere Einkopplungseinheiten zum Einkoppeln von Licht vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Einkopplungseinheit im Bereich der Rotorblattwurzel oder im Bereich der Rotorblattnabe vorgesehen.
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Die physikalischen Größen, die durch die Sensoren 400 gemessen werden können, sind z. B. Beschleunigung, Geschwindigkeit, Blattbeanspruchung, Blattspannung, Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Blattbiegung, Drehmoment etc.
