DE102015120075A1

DE102015120075A1 - Sensorsystem, Verwendung eines Sensorsystems sowie Verfahren zur Energieversorgung einer Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102015120075A1
Application number: DE102015120075.9A
Authority: DE
Inventors: Mathias Müller; Manuel Mai
Original assignee: fos4X GmbH
Current assignee: fos4X GmbH
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben ein Sensorsystem (1) zur Verwendung an einer technischen Anlage, eine Verwendung eines Sensorsystems (1) an einer technischen Anlage sowie ein Verfahren zur Energieversorgung einer Sensoreinheit (10) an einem Bauteil einer technischen Anlage bereit. Das Sensorsystem (1) umfasst eine Sensoreinheit (10) zum wiederholten, vorzugsweise periodischen, Durchführen eines Messvorgangs, welcher ein Erfassen mindestens einer Messgröße an einem Bauteil der technischen Anlage, ein Erzeugen eines aus der mindestens einen Messgröße abgeleiteten Messdatensignals und ein Übermitteln des Messdatensignals nach außerhalb der Sensoreinheit (10) umfasst; eine Energieversorgungseinheit (30) zum Versorgen der Sensoreinheit (10) mit elektrischer Energie; und eine Steuerungseinheit (20) zum Steuern der Sensoreinheit (10) und/oder der Energieversorgungseinheit (30), wobei die Energieversorgungseinheit (30) umfasst: eine Laserlichtquelle (35); eine optische Faser (36), die an ihrem einen Ende mit der Laserlichtquelle (35) optisch verbunden ist; ein Photovoltaikelement (37), das mit dem anderen Ende der optischen Faser (36) optisch verbunden ist, zum Umwandeln von auftreffendem Licht in elektrische Energie; einen Energiespeicher (40), der mit dem Photovoltaikelement (37) elektrisch verbunden ist; und einen Ausgangsanschluss (38), der mit der Sensoreinheit (10) elektrisch verbunden ist, wobei die Energieversorgungseinheit (30) einen Energieaufnahmemodus zum Laden des Energiespeichers (40) und einen Energieabgabemodus zum Abgeben von gespeicherter Energie aus dem Energiespeicher (40) an den Ausgangsanschluss (38) oder zum gleichzeitigen Abgeben von gespeicherter elektrischer Energie aus dem Energiespeicher (40) und elektrischer Energie aus dem Photovoltaikelement (37) an den Ausgangsanschluss (38) umfasst, wobei die Steuerungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, die Energieversorgungseinheit (30) in den Energieabgabemodus zu schalten, wenn ein Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Sensorsystem zur Verwendung an einer technischen Anlage, die Verwendung eines Sensorsystems an einer technischen Anlage sowie ein Verfahren zur Energieversorgung einer Sensoreinheit an einer technischen Anlage.
In verschiedenen Bereichen der Technik besteht oftmals ein verstärktes Interesse, Betriebsparameter von technischen Anlagen mittels Sensoren als Sensordaten zu erfassen und auszuwerten. Einerseits kann es erforderlich sein, mechanische, elektrische oder sonstige Größen aus regelungstechnischen Gründen zu ermitteln. Vielfach kommen auch Sensoren zum Einsatz, die über die Lebensdauer von Elementen der technischen Anlage Auskunft geben sollen, z. B. Schwingungs- und Dehnungssensoren und dergleichen.
STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, Sensorsysteme mit einer Sensoreinheit zur Energieversorgung mit gewöhnlichen elektrischen Leitungen zu verbinden, z. B. mit gewöhnlichen Kupferleitungen. Da hierdurch jedoch insbesondere bei Anwendungen im Außenbereich die Wahrscheinlichkeit von Blitzeinschlägen erhöht werden kann und zudem bei einem möglichen Blitzeinschlag die elektrisch miteinander verbundenen Komponenten beschädigt werden können, sind ebenfalls Lösungen bekannt, welche die von der Sensoreinheit benötigte elektrische Leistung über sogenannte Power-Over-Fiber-Verfahren bereitstellen.
Die WO 2009/052828 offenbart ein elektrisch betriebenes Modul, das in einem Rotorblatt einer Windkraftanlage in der Nähe der Rotorblattspitze angeordnet ist. Um das Modul mit Energie zu versorgen, ist dieses mit dem einen Ende einer optischen Leitung verbunden. In das andere Ende der optischen Leitung, das sich in der Rotorblattwurzel befindet, wird Licht eingestrahlt, welches durch die optische Leitung in das Modul geleitet wird. Im Modul selbst ist eine Spannungsversorgung vorgesehen, die ein Photovoltaikelement und einen Pufferkondensator aufweist. Ein Mikroprozessor und ein Sensorelement werden mit Energie aus der Spannungsversorgung betrieben. Als Lichtquelle zum Einstrahlen des Lichts kommt bei der herkömmlichen Vorrichtung unter anderem ein Laser zum Einsatz.
Die herkömmlichen Lösungen weisen z. B. den Nachteil auf, dass eine vergleichsweise hohe Laserleistung erforderlich ist, um die Sensoreinheit zuverlässig betreiben zu können. Dies ist aus Gründen der Energieeffizienz wie auch aus Kostengründen unvorteilhaft.
Es ist wünschenswert, eine Lösung anzugeben, bei welcher ein zuverlässiger Betrieb einer optisch energieversorgten Sensoreinheit energieeffizient und/oder kostengünstig möglich ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Sensorsystem zur Verwendung an einer technischen Anlage gemäß Anspruch 1 bereit. Ferner geben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines Sensorsystems an einer technischen Anlage gemäß Anspruch 9 an. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen außerdem ein Verfahren zur Energieversorgung einer Sensoreinheit an einer technischen Anlage gemäß Anspruch 10 bereit.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Sensorsystem zur Verwendung an einer technischen Anlage angegeben, umfassend eine Sensoreinheit zum wiederholten, vorzugsweise periodischen, Durchführen eines Messvorgangs, welcher ein Erfassen mindestens einer Messgröße an einem Bauteil der technischen Anlage; ein Erzeugen eines aus der mindestens einen Messgröße abgeleiteten Messdatensignals und ein Übermitteln des Messdatensignals nach außerhalb der Sensoreinheit umfasst, eine Energieversorgungseinheit zum Versorgen der Sensoreinheit mit elektrischer Energie; und eine Steuerungseinheit zum Steuern der Sensoreinheit und/oder der Energieversorgungseinheit, wobei die Energieversorgungseinheit umfasst: Eine Laserlichtquelle; eine optische Faser, die an ihrem einen Ende mit der Laserlichtquelle optisch verbunden ist; ein Photovoltaikelement, das mit dem anderen Ende der optischen Faser optisch verbunden ist, zum Umwandeln von auftreffendem Licht in elektrische Energie; einen Energiespeicher, der mit dem Photovoltaikelement elektrisch verbunden ist; und einen Ausgangsanschluss, der mit der Sensoreinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Energieversorgungseinheit einen Energieaufnahmemodus zum Laden des Energiespeichers und einen Energieabgabemodus zum Abgeben von gespeicherter Energie aus dem Energiespeicher an den Ausgangsanschluss oder zum gleichzeitigen Abgeben von gespeicherter elektrischer Energie aus dem Energiespeicher und elektrischer Energie aus dem Photovoltaikelement an den Ausgangsanschluss umfasst, wobei die Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, die Energieversorgungseinheit in den Energieabgabemodus zu schalten, wenn ein Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Verwendung eines Sensorsystems an einer technischen Anlage angegeben, wobei das Sensorsystem umfasst: Eine Sensoreinheit zum wiederholten, vorzugsweise periodischen, Durchführen eines Messvorgangs, welcher ein Erfassen mindestens einer Messgröße an einem Bauteil der technischen Anlage; ein Erzeugen eines aus der mindestens einen Messgröße abgeleiteten Messdatensignals und ein Übermitteln des Messdatensignals nach außerhalb der Sensoreinheit umfasst, eine Energieversorgungseinheit zum Versorgen der Sensoreinheit mit elektrischer Energie; und eine Steuerungseinheit zum Steuern der Sensoreinheit und/oder der Energieversorgungseinheit, wobei die Energieversorgungseinheit umfasst: Eine Laserlichtquelle; eine optische Faser, die an ihrem einen Ende mit der Laserlichtquelle optisch verbunden ist; ein Photovoltaikelement, das mit dem anderen Ende der optischen Faser optisch verbunden ist, zum Umwandeln von auftreffendem Licht in elektrische Energie; einen Energiespeicher, der mit dem Photovoltaikelement elektrisch verbunden ist; und einen Ausgangsanschluss, der mit der Sensoreinheit elektrisch verbunden ist, wobei die Energieversorgungseinheit einen Energieaufnahmemodus zum Laden des Energiespeichers und einen Energieabgabemodus zum Abgeben von gespeicherter Energie aus dem Energiespeicher an den Ausgangsanschluss oder zum gleichzeitigen Abgeben von gespeicherter elektrischer Energie aus dem Energiespeicher und elektrischer Energie aus dem Photovoltaikelement an den Ausgangsanschluss umfasst, wobei die Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, die Energieversorgungseinheit in den Energieabgabemodus zu schalten, wenn ein Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Energieversorgung einer Sensoreinheit an einem Bauteil einer technischen Anlage angegeben, mit einer Energieversorgungseinheit, die eine Laserlichtquelle, eine optische Faser, ein von der Laserlichtquelle beabstandet angeordnetes Photovoltaikelement, einen Energiespeicher und einen Ausgangsanschluss umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben der Energieversorgungseinheit in einem Energieaufnahmemodus zum Laden des Energiespeichers, in welchem auf das Photovoltaikelement auftreffendes Licht in elektrische Energie umgewandelt wird und der Energiespeicher geladen wird; Ermitteln, vorzugsweise fortlaufendes Ermitteln, ob ein Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist; wenn festgestellt wird, dass das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist: Betreiben der Energieversorgungseinheit in einem Energieabgabemodus, in welchem gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher abgegeben wird oder gleichzeitig gespeicherte elektrische Energie aus dem Energiespeicher und elektrische Energie aus dem Photovoltaikelement abgegeben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Verwendung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an einer Windkraftanlage; und
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energieversorgung einer Sensoreinheit in einem Rotorblatt einer Windkraftanlage, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnungen dienen der Veranschaulichung eines oder mehrerer Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung.
In 1 ist ein Sensorsystem 1 zur Verwendung an einer technischen Anlage gemäß einer Ausführungsform schematisch dargestellt. In den hierin dargestellten Ausführungsformen ist die technische Anlage eine Windkraftanlage 100. Das Sensorsystem 1 weist eine Sensoreinheit 10 auf, die dazu ausgebildet ist, einen Messvorgang wiederholt, vorzugsweise periodisch, durchzuführen. Jeder Messvorgang umfasst ein Erfassen mindestens einer Messgröße in einem Rotorblatt 111, 112 der Windkraftanlage 100, ein Erzeugen eines aus der mindestens einen Messgröße abgeleiteten Messdatensignals und ein Übermitteln des Messdatensignals nach außerhalb der Sensoreinheit 10.
„Außerhalb der Sensoreinheit 10“ bezeichnet einen Ort, der ausreichend weit von dem Installationsort der Sensoreinheit 10 entfernt ist; beispielsweise befindet sich dieser Ort außerhalb des betreffenden Rotorblatts 111, 112 oder außerhalb des Rotors 110 der Windkraftanlage 100. Dieser Ort kann sich z. B. auch im Turm der Windkraftanlage 100, am Turmfuß der Windkraftanlage 100 oder noch weiter abgesetzt von der Windkraftanlage 100 befinden.
Eine Energieversorgungseinheit 30, die in 1 von einer gestrichelten Linie umgeben ist, dient zum Versorgen der Sensoreinheit 10 mit elektrischer Energie. Eine Steuerungseinheit 20 ist dazu ausgebildet, die Sensoreinheit 10 und/oder die Energieversorgungseinheit 30 zu steuern, was noch erläutert wird.
Die Energieversorgungseinheit 30 umfasst eine Laserlichtquelle 35, eine optische Faser 36, die mit ihrem einen Ende mit der Laserlichtquelle 35 optisch verbunden ist, ein Photovoltaikelement 37, das mit dem anderen Ende der optischen Faser 36 optisch verbunden ist, einen Energiespeicher 40, der mit dem Photovoltaikelement 37 elektrisch verbunden ist, sowie einen Ausgangsanschluss 38, der mit der Sensoreinheit 10 elektrisch verbunden ist.
Die Laserlichtquelle ist beispielsweise eine Laserdiode, deren Wellenlänge an die Übertragungseigenschaften der optischen Faser 36 angepasst ist. Die Laserlichtquelle ist jedoch nicht auf diesen Typ beschränkt. Das Photovoltaikelement 37 ist z. B. ein Laserleistungs-Konverter (Laser Power Converter, LPC) auf Galliumarsenid-Halbleiterbasis, jedoch ebenfalls nicht auf diesen Typ beschränkt.
Laserlicht, das von der Laserlichtquelle 35 in die optische Faser 36 eingestrahlt wird, trifft auf das Photovoltaikelement 37 auf, welches das auftreffende Laserlicht umwandelt und an dessen Ausgang eine elektrische Leistung bereitstellt. Hierzu ist das Photovoltaikelement 37 mit dem Energiespeicher 40 verbunden; außerdem ist das Photovoltaikelement 37 mit dem Ausgangsanschluss 38 verbunden.
Als Energiespeicher 40 kommen beispielsweise, ohne Beschränkung, ein Kondensator wie z. B. ein Hochkapazitäts-Kondensator (UltraCap, GoldCap und dergleichen) und/oder ein chemischer Energiespeicher wie z. B. eine Batterie zum Einsatz. Eine Kombination verschiedener Möglichkeiten zum Speichern elektrischer Energie und für deren bedarfsweisen Abruf in dem Energiespeicher 40 kann ebenfalls vorgesehen sein.
Die Energieversorgungseinheit 30 umfasst einen Energieaufnahmemodus zum Laden des Energiespeichers 40 und einen Energieabgabemodus zum Abgeben von gespeicherter Energie aus dem Energiespeicher 40 an den Ausgangsanschluss 38 oder zum gleichzeitigen Abgeben von gespeicherter elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 40 und elektrischer Energie aus dem Photovoltaikelement 37 an den Ausgangsanschluss 38.
Im Energieaufnahmemodus wird also der Energiespeicher 40 mit Energie geladen; diese Energie wird beispielsweise durch die Umwandlung des Laserlichts in dem Photovoltaikelement 37 bereitgestellt. Im Energieabgabemodus wird gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher 40 an den Ausgangsanschluss 38 der Energieversorgungseinheit 30 abgegeben. Zusätzlich kann auch im Energieabgabemodus elektrische Energie aus dem Photovoltaikelement 37 direkt an den Ausgangsanschluss 38 abgegeben werden. Es ist auch möglich, dass im Energieaufnahmemodus der Energiespeicher 40 mit einem Teil der Leistung aus dem Photovoltaikelement 37 geladen wird und das Photovoltaikelement 37 einen weiteren Teil der Leistung an den Ausgangsanschluss abgibt. Im Energieabgabemodus wird wiederum gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher 40 an den Ausgangsanschluss 38 der Energieversorgungseinheit 30 abgegeben, wobei der Wert der im Energieabgabemodus abgegebenen Leistung den Wert der Teilleistung überschreitet, welcher während des Energieaufnahmemodus am Ausgangsanschluss abgegeben wird.
Die Steuerungseinheit 20 ist dazu ausgebildet, die Energieversorgungseinheit 30 in den Energieabgabemodus zu schalten, wenn ein Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist.
Gemäß einem Aspekt ist die Steuerungseinheit 20 dazu ausgebildet, die Energieversorgungseinheit 30 wechselweise zwischen dem Energieabgabemodus und dem Energieaufnahmemodus umzuschalten; der Energieabgabemodus wird dann gewählt, wenn das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist, und der Energieaufnahmemodus wird dann gewählt, wenn das Energieabgabe-Kriterium nicht erfüllt ist.
Am Ausgangsanschluss 38 wird dann Energie zum Betreiben der Sensoreinheit 10 zur Verfügung gestellt, wenn die Energieversorgungseinheit 30 im Energieabgabemodus betrieben wird. Daher kann die Laserleistung relativ klein gewählt werden, was eine Kostenersparnis bedeuten kann. Gleichzeitig ist der Energieabgabemodus ein definierter Modus, d. h. die Sensoreinheit 10 kann auch mit kleiner Laserleistung zuverlässig betrieben werden.
Gemäß einem Aspekt weist die Laserlichtquelle 35 eine durchschnittliche Leistung von weniger als 1 Watt auf. Bevorzugt weist die Laserlichtquelle 35 eine durchschnittliche Leistung von weniger als 800 Milliwatt auf. Noch bevorzugter weist die Laserlichtquelle 35 eine durchschnittliche Leistung von weniger als 500 Milliwatt auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Steuerungseinheit 20 dazu ausgebildet, festzustellen, dass das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist, wenn die gespeicherte Energiemenge im Energiespeicher 40 eine festgelegte oder ermittelte Energiemenge erreicht oder überschreitet, welche für den nächsten Messvorgang erforderlich ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerungseinheit 20 dazu ausgebildet, festzustellen, dass das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist, wenn die gespeicherte Energiemenge im Energiespeicher 40 eine festgelegte oder ermittelte Energiemenge erreicht oder überschreitet, welche für Teile des nächsten Messvorgangs erforderlich ist
Bevorzugt wird die Laserlichtquelle 35 kontinuierlich betrieben. Gemäß diesem Aspekt wird jedoch zumindest die Sensoreinheit 10 nicht in jedem Fall kontinuierlich betrieben. Es kann sich beispielsweise ergeben, dass die Leistung der Laserlichtquelle 35 nicht ausreicht, um die Sensoreinheit 10 stets kontinuierlich zu betreiben, z. B. wenn ein oder mehrere Sensoren mit einer vergleichsweise hohen Leistungsaufnahme in der Sensoreinheit 10 zum Einsatz kommen, und/oder wenn die Sensoreinheit 10 eine höhere Leistungsaufnahme zur drahtlosen Übertragung der Messwerte hat.
Gemäß dem beschriebenen Aspekt wird die Energieversorgungseinheit 30 zunächst solange im Energieaufnahmemodus betrieben, bis der Energiespeicher 40 mindestens so weit aufgeladen ist, dass der nächste Messvorgang durchgeführt werden kann. Die bereits gespeicherte Energiemenge kann z. B. durch eine geeignete Messung gemessen werden, beispielsweise durch eine Spannungsmessung an einem als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher 40 bei bekannter Kapazität des Kondensators. Die Energiemenge, welche den Schwellenwert darstellt, ab welchem das Energieabgabe-Kriterium als erfüllt angesehen wird, kann – z. B. bei bekannter Leistungsaufnahme der Sensoreinheit 10 – vorab festgelegt sein. Es ist auch möglich, diesen Schwellenwert während des Betriebs der Sensoreinheit 10 fortlaufend zu ermitteln, z. B. durch eine Messung der Leistungsaufnahme der Sensoreinheit 10 im Betrieb, und entsprechend fortlaufend anzupassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Steuerungseinheit 20 dazu ausgebildet, festzustellen, dass das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist, wenn ein festgelegter oder festlegbarer Zeitraum seit dem letzten Messvorgang verstrichen ist. Gemäß diesem Aspekt kann insbesondere eine Messung der Spannung oder dergleichen an den Anschlüssen des Energiespeichers 40 entfallen. Dieser Aspekt kann insbesondere dann vorteilhaft genutzt werden, wenn die umgesetzte Energie der Sensoreinheit 10 pro Messvorgang bekannt ist und gleichzeitig die Energiemenge, die in dem Zeitraum während des Energieaufnahmemodus zugeführt wird, ebenfalls bekannt ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Verwendung eines Sensorsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an einer Windkraftanlage 100. Die Sensoreinheit 10 des Sensorsystems 1 ist bei Ausführungsformen in einem Rotorblatt 111 eines Rotors 110 der Windkraftanlage 100 angeordnet, welches eines von z. B. drei Rotorblättern der Windkraftanlage 100 darstellt. In der Seitenansicht aus 2 ist das dritte Rotorblatt nicht dargestellt.
Gemäß einem Aspekt ist die Laserlichtquelle 35 der Energieversorgungseinheit 30 in einem Mindestabstand von dem Photovoltaikelement 37 der Energieversorgungseinheit 30 beabstandet anordenbar oder angeordnet. Die Laserlichtquelle 35 selbst wird in der Regel mit elektrischer Energie aus dem Netz versorgt, so dass sie zuverlässig kontinuierlich betrieben werden kann. Insbesondere aus Blitzschutzgründen ist es günstig, bestimmte Bereiche der Windkraftanlage 100 von den dafür notwendigen metallischen Leitungen freizuhalten, insbesondere die Rotorblätter 111, 112 selbst. Gemäß diesem Aspekt ist daher vorzugsweise die Laserlichtquelle 35 an einer Rotorblattnabe 115 oder an einer Rotorblattwurzel des Rotors 110 angeordnet. Das Photovoltaikelement 37 ist gemäß diesem Aspekt vorzugsweise im Rotorblattinneren angeordnet.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Laserlichtquelle 35 in der Rotorblattnabe 115 angeordnet, und die Sensoreinheit 10 und das Photovoltaikelement 37 sind im Inneren des Rotorblatts 111 angeordnet. Die Sensoreinheit 10 und das Photovoltaikelement 37 sind unmittelbar aneinander angrenzend ausgebildet und mittels einer kurzen elektrischen Leitung miteinander verbunden. Die Sensoreinheit 10 und das Photovoltaikelement 37 können aber auch integriert ausgebildet sein. Der Abstand zwischen der Laserlichtquelle 35 und der Sensoreinheit 10 beträgt in der dargestellten Ausführungsform einige Meter, z. B. mehr als 5 Meter. Eine optische Leitung 36 passender Länge sorgt für eine optische Verbindung zwischen Laserlichtquelle 35 und Photovoltaikelement 37.
Gemäß einem Aspekt umfasst die Energieversorgungseinheit 30 mindestens eine Energy-Harvesting-Einrichtung 31, die mit dem Energiespeicher 40 und/oder mit dem Ausgangsanschluss 38 verbunden ist. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist genau eine Energy-Harvesting-Einrichtung 31 vorgesehen; die Offenbarung ist darauf jedoch nicht beschränkt, und es können zwei, drei, vier oder mehr Energy-Harvesting-Einrichtungen vorgesehen sein. Die Energy-Harvesting-Einrichtung 31 ist zur ergänzenden Energieversorgung ausgebildet, wobei die Energie am Einbauort der Energy-Harvesting-Einrichtung 31 erzeugt wird. Vorteilhafterweise ist die Energy-Harvesting-Einrichtung 31 in unmittelbarer Nähe zu der Sensoreinheit 10 angeordnet. Die Energy-Harvesting-Einrichtung 31 nutzt beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Energie-Umwandlungsprinzipien: Umwandlung von Bewegungsenergie angeregt durch eine Rotation; Umwandlung von Bewegungsenergie angeregt durch eine Vibration; Umwandlung von Energie aus elektromagnetischen Wellen im Hochfrequenzbereich; Umwandlung von Energie aus elektromagnetischen Wellen im optischen Bereich; Umwandlung von Energie aus einem Temperaturgradienten. Eine Energy-Harvesting-Einrichtung 31 kann dazu beitragen, die Zuverlässigkeit des Sensorsystems 1 weiter zu erhöhen, z. B. indem sie den Zeitraum verkürzt, in welchem die Energieversorgungseinrichtung 30 im Energieaufnahmemodus betrieben wird.
Gemäß einem Aspekt ist die Sensoreinheit 10 dazu ausgebildet, das Messdatensignal drahtlos und/oder optisch an eine Auswertungseinheit 50 zu übermitteln.
Bei Ausführungsformen kann das Übermitteln des Messdatensignals eine optische Modulation und eine optische Übertragung über eine optische Leitung umfassen. Die optische Leitung kann auch die optische Faser 36 sein, die dann bidirektional genutzt wird. Das Übermitteln des Messdatensignals kann bei Ausführungsformen auch drahtlos geschehen; in diesem Fall weist die Sensoreinheit 10 eine Sendeeinrichtung zur Erzeugung eines Sendesignals auf Grundlage des Messdatensignals und zur Funkübertragung auf. Es kann auch einer separat von der Sensoreinheit 10 ausgebildeten Sendeeinrichtung das Messdatensignal von der Sensoreinheit 10 zugeführt werden. Das Übermitteln des Messdatensignals kann an eine für den Empfang des (ggf. optisch modulierten) Messdatensignals und/oder des Sendesignals passend ausgebildete Empfangseinrichtung vorgenommen werden, die z. B. in die Auswertungseinheit 50 integriert sein kann. Eine alternativ vorgesehene externe Empfangseinrichtung kann das empfangene und ggf. demodulierte, decodierte und/oder aufbereitete Signal an die Auswertungseinrichtung 50 übertragen.
Gemäß einem Aspekt weist das Sensorsystem 1 ferner einen Datenspeicher 60 auf, der dazu ausgebildet ist, das Messdatensignal zumindest zeitweise zu speichern. Dieser Aspekt kann insbesondere vorteilhaft genutzt werden, wenn z. B. betriebsmäßige Teile der Sensoreinheit 10 kontinuierlich betrieben werden, wenn beispielsweise also die Sensoreinheit 10 mit einer gewissen Teilleistung auch im Energieaufnahmemodus betrieben wird. Ein solcher kontinuierlich betriebener betriebsmäßiger Teil kann z. B. ein Betrieb eines Sensors in der Sensoreinheit 10 und eine Datenspeicherung in dem Datenspeicher 60 sein. Im Energieabgabemodus, in welchem eine höhere Leistung bereitgestellt werden kann, kann die Sensoreinheit 10 beispielsweise in einem Vollmodus betrieben werden, in welchem eine Datenübertragung stattfindet, z. B. eine drahtlose Datenübertragung.
Ein Datenspeicher 60 kann z. B. ein flüchtiger Speicher sein, welcher das Messdatensignal nur kurzzeitig zwischenspeichert, oder er kann ein nichtflüchtiger Speicher wie z. B. ein Flash-Speicher oder dergleichen sein, welcher das Messdatensignal über einen längeren Zeitraum speichert.
Bei Ausführungsformen kann es gemäß diesem Aspekt vorgesehen sein, dass der Datenspeicher 60 die Daten des Messdatensignals während des Zeitraums zwischenspeichert, in welchem eine Datenübertragung nicht stattfindet. In diesem Zeitraum kann eine Zwischenspeicherung in dem Datenspeicher 60 vorgenommen werden, wobei dann, wenn die Energieversorgungseinheit 30 wieder im Energieabgabemodus betrieben wird, die zwischengespeicherten Daten (und ggf. auch aktuelle Daten) des Messdatensignals übertragen werden
In 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energieversorgung einer Sensoreinheit 10 in einem Rotorblatt 111, 112 einer Windkraftanlage. Das Verfahren gemäß der Ausführungsform sieht vor, dass das Sensorsystem 1 eine Energieversorgungseinheit 30 umfasst, die ihrerseits eine Laserlichtquelle 35, eine optische Faser 36, ein von der Laserlichtquelle 35 beabstandet angeordnetes Photovoltaikelement 37, einen Energiespeicher 40 und einen Ausgangsanschluss 38 umfasst.
In einem Schritt 1002 des Verfahrens wird die Energieversorgungseinheit 30 in einem Energieaufnahmemodus zum Laden des Energiespeichers 40 betrieben, in welchem auf das Photovoltaikelement 37 auftreffendes Licht in elektrische Energie umgewandelt wird und der Energiespeicher 40 geladen wird.
In einem Schritt 1003 wird ermittelt, ob oder ob nicht ein Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist. Wenn ermittelt wird, dass das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist, dann wird mit Schritt 1004 fortgefahren. Wenn ermittelt wird, dass das Energieabgabe-Kriterium nicht erfüllt ist, dann erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 1002.
In Schritt 1004 wird die Energieversorgungseinheit 30 in einem Energieabgabemodus betrieben, in welchem gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher 40 an den Ausgangsanschluss 38 abgegeben wird, oder in welchem gleichzeitig gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher 40 abgegeben wird und elektrische Energie aus dem Photovoltaikelement 37 an den Ausgangsanschluss 38 abgegeben wird.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen angemessen miteinander kombinierbar sind, und dass einzelne Aspekte dort weggelassen werden können, wo es im Rahmen des fachmännischen Handelns sinnvoll und möglich ist. Abwandlungen und Ergänzungen der hierin beschriebenen Aspekte sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste

1: Sensorsystem
10: Sensoreinheit
20: Steuerungseinheit
21: Messeinrichtung
30: Energieversorgungseinheit
31: Energy-Harvesting-Einrichtung
35: Laserlichtquelle
36: optische Faser
37: Photovoltaikelement
38: Ausgangsanschluss
40: Energiespeicher
50: Auswertungseinheit
60: Datenspeicher
100: Windkraftanlage
110: Rotor
111: erstes Rotorblatt
112: zweites Rotorblatt
115: Rotorblattnabe
d: Abstand der Laserlichtquelle von dem Photovoltaikelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/052828 [0004]

Claims

Sensorsystem (1) zur Verwendung an einer technischen Anlage, umfassend: eine Sensoreinheit (10) zum wiederholten, vorzugsweise periodischen, Durchführen eines Messvorgangs, welcher ein Erfassen mindestens einer Messgröße an einem Bauteil der technischen Anlage, ein Erzeugen eines aus der mindestens einen Messgröße abgeleiteten Messdatensignals und ein Übermitteln des Messdatensignals nach außerhalb der Sensoreinheit (10) umfasst; eine Energieversorgungseinheit (30) zum Versorgen der Sensoreinheit (10) mit elektrischer Energie; und eine Steuerungseinheit (20) zum Steuern der Sensoreinheit (10) und/oder der Energieversorgungseinheit (30), wobei die Energieversorgungseinheit (30) umfasst: eine Laserlichtquelle (35); eine optische Faser (36), die an ihrem einen Ende mit der Laserlichtquelle (35) optisch verbunden ist; ein Photovoltaikelement (37), das mit dem anderen Ende der optischen Faser (36) optisch verbunden ist, zum Umwandeln von auftreffendem Licht in elektrische Energie; einen Energiespeicher (40), der mit dem Photovoltaikelement (37) elektrisch verbunden ist; und einen Ausgangsanschluss (38), der mit der Sensoreinheit (10) elektrisch verbunden ist, wobei die Energieversorgungseinheit (30) einen Energieaufnahmemodus zum Laden des Energiespeichers (40) und einen Energieabgabemodus zum Abgeben von gespeicherter Energie aus dem Energiespeicher (40) an den Ausgangsanschluss (38) oder zum gleichzeitigen Abgeben von gespeicherter elektrischer Energie aus dem Energiespeicher (40) und elektrischer Energie aus dem Photovoltaikelement (37) an den Ausgangsanschluss (38) umfasst, wobei die Steuerungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, die Energieversorgungseinheit (30) in den Energieabgabemodus zu schalten, wenn ein Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, wobei die technische Anlage eine Windkraftanlage (100) ist, und/oder wobei das Bauteil ein Rotorblatt (111, 112) der Windkraftanlage (100) ist.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laserlichtquelle (35) eine durchschnittliche Leistung von weniger als 1 W, vorzugsweise von weniger als 800 mW, besonders vorzugsweise von weniger als 500 mW aufweist.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, festzustellen, dass das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist, wenn die gespeicherte Energiemenge im Energiespeicher (40) eine festgelegte oder ermittelte Energiemenge erreicht oder überschreitet, welche für den nächsten Messvorgang benötigt wird.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, festzustellen, dass das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist, wenn ein festgelegter oder festlegbarer Zeitraum seit dem letzten Messvorgang verstrichen ist.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserlichtquelle (35) der Energieversorgungseinheit (30) in einem Mindestabstand von dem Photovoltaikelement (37) der Energieversorgungseinheit (30) beabstandet anordenbar oder angeordnet ist, wobei die Laserlichtquelle (35) vorzugsweise an einer Rotorblattnabe (115) oder an einer Rotorblattwurzel anordenbar oder angeordnet ist, und wobei vorzugsweise das Photovoltaikelement (37) im Rotorblattinneren angeordnet ist.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinheit (30) ferner mindestens eine Energy-Harvesting-Einrichtung (31) umfasst, die mit dem Energiespeicher (40) und/oder mit dem Ausgangsanschluss (38) elektrisch verbunden ist.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (10) dazu ausgebildet ist, das Messdatensignal drahtlos und/oder optisch an eine Auswertungseinheit (50) zu übermitteln.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem (1) ferner einen Datenspeicher (60) umfasst, der dazu ausgebildet ist, das Messdatensignal zumindest zeitweise zu speichern.
Verwendung des Sensorsystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einer Windkraftanlage (100).
Verfahren zur Energieversorgung einer Sensoreinheit (10) an einem Bauteil einer technischen Anlage, insbesondere in einem Rotorblatt (111, 112) einer Windkraftanlage (100), mit einer Energieversorgungseinheit (30), die eine Laserlichtquelle (35), eine optische Faser (36), ein von der Laserlichtquelle (35) beabstandet angeordnetes Photovoltaikelement (37), einen Energiespeicher (40) und einen Ausgangsanschluss (38) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben der Energieversorgungseinheit (30) in einem Energieaufnahmemodus zum Laden des Energiespeichers (40), in welchem auf das Photovoltaikelement (37) auftreffendes Licht in elektrische Energie umgewandelt wird und der Energiespeicher (40) geladen wird; Ermitteln, vorzugsweise fortlaufendes Ermitteln, ob ein Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist; wenn festgestellt wird, dass das Energieabgabe-Kriterium erfüllt ist: Betreiben der Energieversorgungseinheit (30) in einem Energieabgabemodus, in welchem gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher (40) an den Ausgangsanschluss 38 abgegeben wird oder gleichzeitig gespeicherte elektrische Energie aus dem Energiespeicher (40) und elektrische Energie aus dem Photovoltaikelement (37) an den Ausgangsanschluss 38 abgegeben wird.