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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsmessung auf Windkraftanlagen mit umströmten Rotorblättern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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Die mit großem Abstand dominierende Bauform ist die dreiblättrige Windkraftanlage mit horizontaler Achse und Rotor auf der Luvseite, deren Maschinenhaus auf einem Turm montiert ist und der Windrichtung aktiv nachgeführt wird.
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Ein derartiges Verfahren ist mit dem Gegenstand der
EP 2 876 302 A1 bekannt geworden. Es wird ein Kontroll- und Überwachungsverfahren einer Windkraftanlage anhand einer Windgeschwindigkeitsschätzung mit Hilfe eines gondelseitig befestigten LIDAR-Sensors beschrieben. Ebenso wird ein Messverfahren zur Steuerung und/oder der Überwachung einer Windenergieanlage beschrieben, die mit einem LIDAR-Sensor ausgestattet ist.
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Die Steuerung und/oder Überwachung erfolgt dabei unter Berücksichtigung einer Schätzung der Windgeschwindigkeit, die dabei mit Hilfe einer Schätzfunktion und einem LIDAR-Sensor, der hinter dem Rotor angeordnet ist und auf eine vor dem Rotor angeordnete Linie fokussiert wird. Die Schätzung des vor dem Rotor herrschenden Windes erfolgt dann auf der Basis vom LIDAR-Sensor ermittelten Daten und dem Windausbreitungsmodell.
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Nachteilig bei dem bekannten Kontroll- und Überwachungsverfahren ist die aufwendige Verwendung eines radargestützten Sensors, der nur mit hohem Aufwand betrieben werden kann. Er ist reparaturanfällig und kostenintensiv.
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Mit dem Gegenstand der
EP 2 494 192 A1 ist ein Windsensorsystem mit Hilfe von Rotorblattsignalen bekannt geworden.
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Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren, das auf eine Windertragsmessung unter Beachtung des höhenabhängigen Windgeschwindigkeitsgradienten abzielt. Dabei wird berücksichtigt, dass das Rotorblatt während eines Umlaufs unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen ausgesetzt ist. Die auf dem Rotorblatt befestigten Sensoren, dienen der Messwerterfassung. Die Übertragung der Messsignale der drehenden Sensoren auf eine gondelfeste Erfassungseinrichtung ist jedoch fehlerbehaftet und aufwendig. Aus einem komplexen Datensatz wird schließlich mittels tabellierter Windgeschwindigkeits-Feldcharakteristik und einer Sucheinrichtung eine mittlere effektive Windgeschwindigkeit bestimmt.
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Nach allgemeinem Verständnis werden zur Erfassung der notwendigen Messsignale die an der Windkraftanlage vorhandenen Messmittel verwendet, wodurch der vorteilbehaftete geringere Kostenaufwand für das Verfahren begründbar ist.
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Es wären lediglich die an der Windkraftanlage vorhandenen Messmittel, ohne eigene Sensoren zu verwenden. Dies ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass nur ungenaue Messungen möglich sind, weil keine speziellen zur Windrichtungsbestimmung und Windstärkebestimmung vorhandenen Sensoren vorhanden sind.
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Mit dem Gegenstand der
EP 2 048 507 A2 ist ebenfalls ein rotorseitiges Sensorsystem für eine Windenergieanlage bekannt geworden.
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Diese Druckschrift beschreibt ein Messverfahren zur Messung von mindestens einem Windmerkmal (Windgeschwindigkeit, Windrichtung u. a.), bei dem die Messsensoren auf der Nabe des Rotors in der Weise befestigt sind, dass sie sich in Strömungsrichtung vor dem Rotorblatt befinden und sich mit diesem mitdrehen. Das Sensorsystem ist auf der Nabe des Rotorblattes in einem nach vorn gerichteten, etwa horizontal ausgerichteten Messstab angeordnet, der das Anströmfeld erfassen soll.
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Deshalb können mit einer solchen Sensoranordnung nur die Windgeschwindigkeit und möglicherweise auch die Windrichtung bestimmt werden und erfordert die Verwendung einer relativ langen Messstange, an deren vorderen freien Ende ein Sensor angeordnet ist. Es besteht jedoch der Nachteil, dass die Messstange in der Rotationsachse ausgerichtet sein muss. Dabei wird vorausgesetzt, dass nabenseitig keine Unwucht gegeben ist, wodurch das Messergebnis verfälscht werden würde. Die drahtlose Übertragung der Messsignale der mit dem Rotor drehenden Messeinrichtung auf eine gondelseitige Auswerteeinheit ist aufwendig und störanfällig.
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Außerdem besteht die Gefahr, dass eine starke Windanströmung den Messstab auslenkt, wodurch das Messergebnis verfälscht wird.
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Mit dem Gegenstand der
DE 20 11 43 51 U1 ist ein Windvektorbestimmungsgerät bekannt geworden.
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Um zu vermeiden, dass die hinter dem Rotor angeordneten Windmessmittel in eine turbulente Strömung gelangen, werden 4 Prandtl'sche Staurohre auf einer rotationssymmetrischen Stange in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und drehfest auf der rotierenden Nabe montiert. Aus der Drehgeschwindigkeit und der Wechselwirkung mit dem Staudruck des wirkenden Windes kann die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit vor der Nabe gemessen werden. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Montage der Messlanze auf der rotierenden Nabe, die rotationssymmetrisch anzubringen ist, um Messabweichungen durch Querbewegungen infolge von Exzentrizität zu vermeiden.
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Mit dem Gegenstand der
EP 1 733 241 B1 ist ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit und der Richtung an einer Windturbine bekannt geworden.
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Die Druckschrift beinhaltet die Anordnung von Ultraschallmessstrecken auf einem Platz auf der Nabe des Rotors oder auf und in einer Lanze vor der Nabe des Rotors, um eine Information zur „wahren” Windrichtung und zur Windgeschwindigkeit zu erhalten. Dabei findet das Rotationsverhalten des Messaufbaus bezüglich des anströmenden Windes Berücksichtigung. In einer Anordnung mit mehreren Ultraschallmessstrecken können die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung in 3 Raumrichtungen gemessen werden.
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Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass infolge der relativ kurzen Messstrecke und ihrer Rotationsbewegung auf der Nabe eine sehr präzise Laufzeitmessung erforderlich ist, was sich bei den Anschaffungskosten maßgeblich niederschlägt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die „wahre” Windrichtung und die zugehörige Windgeschwindigkeit infolge des Vorstaus des Rotors und der aerodynamischen Wirkung der Nabe, auf der die Ultraschallmessstrecken montiert sind, bereits eine Verfälschung erfahren, die nicht oder nur sehr aufwendig berichtigt werden kann.
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Zusammenfassend lässt sich der benannte Stand der Technik wie folgt charakterisieren:
- • In Bereich der windabgewandten Seite der Rotationsebene, also hinter dem Rotorblatt angeordnete Messeinrichtungen besitzen den Nachteil, dass die Messwerte für die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung durch die Wirbelbildung stromabwärts des Rotors Messabweichungen zeigen, die zu einer nicht optimalen Ausrichtung der Windkraftanlage im Wind führt. Charakteristisch ist hier ein durch den Einfluss der Rotordrehung verfälschtes Windrichtungssignal. Die Mittelwertbildung beseitigt zwar in der praktischen Nutzung dynamische Schwankungen im Messsignal, Prinzip bedingt verbleibt aber eine systematische Messabweichung die von der Windgeschwindigkeit abhängig ist und so immer zu einer Fehlausrichtung der Windkraftanlage im Wind führt. Bisherige Messsysteme wie z. B. weit verbreitete Schalenanemometer mit Windfahne oder Ultraschallanemometer sind im Allgemeinen zu träge, um die genannte systematische Messabweichung zu erfassen und schließlich berichtigen zu können.
- • Auf der Nabe des Rotorblattes installierte Windmesseinrichtungen beseitigen zwar das Problem der verwirbelten Windströmung, müssen aber weit vor dem Rotor angeordnet sein, um aus dem Bereich des Vorstaus des Rotors zu gelangen, wie es beim Patent DE20114351 B1 zur Anwendung kommt.
- • Andere technische Ausführungen versuchen es in ähnlicher Weise, wenn man dazu das Patent EP 1733241 in Betracht zieht. Derartige Messsysteme sind im Allgemeinen aufgrund ihrer Anordnung im Rotorsystem der Anlage sehr kostenintensiv, was die Nachrüstung und die Wartung derartiger Messsysteme auf Windenergieanlagen betrifft.
- • Windfeldvermessende Systeme auf Basis der Partikelrückstreuung von Licht oder Ultraschall (wie z. B. LIDAR oder SODAR) wären geeignete Systeme für eine verbesserte Windrichtungsnachführung der Windenergieanlage. Derartige Systeme sind aber technisch komplex und weisen eine sehr kostenintensive Messtechnik auf, die bisher noch keine breite Anwendung gefunden hat.
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Der Erfindung liegt deshalb ausgehend von der
EP 2 876 302 A1 die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung so weiterzubilden, dass eine Erfassung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung auf der dem Wind abgewandten Seite der Rotoranordnung wesentlich genauer erfolgen kann und die hierfür verwendeten Messsensoren kostengünstiger sind.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
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Nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist kumulativ oder in Alleinstellung nach einem und/oder mehreren der nachfolgenden Merkmale folgendes vorgesehen:
- 1. Die für die Erfassung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung erforderlichen hochdynamischen Strömungssensoren sind zueinander in festen Abständen und bezogen auf die Anströmrichtung unmittelbar hinter der Rotationsebene des Rotorblattes der Windkraftanlage angeordnet.
- 2. Der Abstand zwischen der Rotorblattebene und der Anordnung der Strömungssensoren ist so gewählt, dass die Rotationsebene des auf der Nabe befindlichen Rotorblatts diese Anordnung der Strömungssensoren nicht berührt.
- 3. Der Abstand ist weiterhin so gewählt, dass die Wirkung des vorbeilaufenden Rotorblattes auf die Windströmung von den Messaufnehmern zeitgleich erfasst wird und aus dem zeitlichen Verlauf der von den Messaufnehmern erfassten Messsignalen die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit bestimmt wird.
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Merkmal der Erfindung ist demnach, dass auf der windabgewandten Seite der Rotorblattanordnung, auf einer gondelfesten Messebene mehrere im Abstand zueinander angeordnete Strömungssensoren angeordnet sind, die von der hinter dem Rotorblatt in Richtung auf die Gondel erzeugten schrägen Anströmung bestrichen werden.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass im Bereich des Rotorblattes resultierende Strömungen entstehen, die sich aus der Überlagerung der Anströmrichtung des Windes und der Drehrichtung des Rotorblattes ergeben, wobei die erfindungsgemäße Messanordnung in diesem Bereich der sich überlagernden Strömungen angeordnet ist. Der resultierende Strömungsbereich auf der windabgewandten Seite der Rotoranordnung wird im Folgenden als Abströmung bezeichnet.
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Das Messprinzip der vorliegenden Messanordnung benutzt dabei bevorzugt mehrere auf gleicher Linie hintereinander liegende Strömungssensoren, wobei diese Anordnung bevorzugt parallel zur Rotationsebene der Rotorblätter liegen sollte.
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Dies bedeutet, dass wenn beispielsweise drei im Abstand voneinander angeordnete Strömungssensoren auf einer gondelfesten Fläche der Gondel angeordnet sind, dass zuerst der in Strömungsrichtung vorne liegende Strömungssensor angeströmt wird, dann danach der mittlere Strömungssensor und schließlich der darauf folgende weitere Strömungssensor.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Anordnung von drei im Abstand voneinander angeordneten Sensoren beschränkt, die auch nicht unbedingt auf einer geraden Linie hintereinander liegend angeordnet sein müssen.
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Sie können auch auf einer gekrümmten Linie oder sogar auf einem Kreissegment mit festem Radius angeordnet werden, d. h. am Umfang einer Messscheibe angeordnet sein. Eine solche Messscheibe kann als separates Teil auch nachträglich auf der Gondel befestigt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine solche Messanordnung auf der Oberseite (Deckseite) der Gondel nahe dem Rotorblatt angeordnet ist.
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Dies ist wesentlich, denn die direkt in der Rotationsebene der Rotorblätter herrschende Anströmung verändert ihre Windrichtung und Windgeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand von der Rotorebene, sodass am hinteren Teil der Gondel für das Messverfahren ungünstigere Messbedingungen bestehen, sodass darauf geachtet werden sollte, dass die Strömungssensoren möglichst nahe an der vorderen Stirnseite der Gondel angeordnet sind.
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Die nahe Anordnung der Strömungssensoren hinter dem Rotorblatt erlaubt sowohl die Windrichtung als auch die Windgeschwindigkeit zu bestimmen.
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Ein Merkmal des Messverfahrens ist dabei, dass es die aerodynamische Wirkung des im Wind vorbeilaufenden Rotorblatts benutzt, indem der anströmende Wind vor und nach dem Vorbeilauf und insbesondere die Abströmung während des Vorbeilaufs des Rotorblatts mittels Strömungssensoren, welche beispielsweise entlang einer Linie unmittelbar hinter dem Rotor angeordnet sind, in ihrer Amplitude und ihrem zeitlichen Verlauf erfasst werden, um so auf den anströmenden „wahren” Wind zu schließen.
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Nach einem Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorteilhaft drei im Abstand voneinander angeordneten Strömungssensoren jeweils getrennt voneinander die Amplitude der Windgeschwindigkeit messen.
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Ein Merkmal der Erfindung ist, dass die erfassten Amplitudenverläufe der Windgeschwindigkeiten an jedem Strömungssensor von der Windgeschwindigkeit des anströmenden Windes und der Abströmung abhängen.
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Aus den Unterschieden der erfassten Amplitudenverläufe der einzelnen Strömungssensoren lässt sich der Anströmwinkel und die Anströmgeschwindigkeit in der Rotationsebene bestimmen.
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Der zeitliche Versatz zwischen den erfassten Amplitudenverläufen der Strömungssensoren ist ebenfalls ein Maß für die Windgeschwindigkeit und deren Richtung.
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In Abhängigkeit von der Anordnung der Strömungssensoren zur Rotationsebene ist der Zeitversatz Δt also ein Maß für den resultierenden Anströmwinkel, den der von den Rotorblättern in Richtung auf die Messanordnung abströmende Windstrom einnimmt.
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Bei linearer Anordnung der Strömungssensoren senkrecht zur Anströmrichtung in einem homogenen Windfeld messen alle Sensoren das gleiche Signal. Bei einer zusätzlichen Drehbewegung des Rotors ändert sich die Anströmrichtung der Sensoren. Der veränderte Anströmwinkel führt zu unterschiedlichen Signalverläufen an den Sensoren. Die Erfindung ist in der Anordnung der Strömungssensoren relativ frei.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungssensoren auf einer Linie liegend auf einer ebenen und etwa horizontalen Deckfläche der Gondel angeordnet sind.
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Ist die Deckfläche der Gondel gebogen, kann es auch möglich sein, dass die Sensoren auf einer in Richtung zu einer horizontalen Ebene gebogenen Fläche angeordnet sind, wobei der Radius dieser Linie, der durch sämtliche Messsensoren geht, etwa der Krümmung der Deckfläche entsprechen soll.
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In einer dritten Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Strömungssensoren an der vertikalen Stirnseite der Gondel im Nabenbereich der Rotoranordnung angeordnet sind und in einer vierten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Strömungssensoren mit abstandshaltenden Stangen gleichmäßig am Umfang der Gondel über einem Winkel von 180° angeordnet sind, wobei die Strömungssensoren am vorderen freien Ende von jeweils stangenförmigen Abstandshaltern angeordnet sind.
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Diese Abstandshalter haben den Sinn, die Strömungssensoren möglichst von dem relativ windstillen Bereich aus der Nabe der Rotorblätter radial auswärts in den Abströmbereich der Rotorblattanordnung zu bringen.
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Eine günstige Länge für derartige Abstandshalter ist z. B. ein Maß von z. B. 2 m oder dergleichen.
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Selbstverständlich können statt der einzelnen, aus Stangen bestehenden Abstandshalter auch andere Anordnungselemente verwendet werden, wie z. B. dreieckförmige oder sogar kreisförmige Elemente, an deren Umfang die besagten Strömungssensoren angeordnet sind.
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In einer fünften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Strömungssensoren am Umfang einer Messscheibe angeordnet sind, wobei diese Messscheibe flach auf der Deckfläche der Gondel angeordnet ist und möglichst nahe an den Nabenbereich der Rotorblattanordnung herangerückt ist.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Soweit einzelne Gegenstände als „erfindungswesentlich” oder „wichtig” bezeichnet sind, bedeutet dies nicht, dass diese Gegenstände notwendigerweise den Gegenstand eines unabhängigen Anspruches bilden müssen. Dies wird allein durch die jeweils geltende Fassung des unabhängigen Patentanspruches bestimmt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: schematisiert eine Draufsicht auf eine Gondel mit einer Rotorblattanordnung
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2: schematisiert eine Schrägansicht einer Gondel von vorne mit mehreren Möglichkeiten der Anordnung von Strömungssensoren
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3: schematisiert eine weitere Anordnung von Strömungssensoren an der Gondel einer Windkraftanlage
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4: Stirnansicht des Abströmbereichs hinter der Rotorblattanordnung
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5: schematisiert ein Rotorblatt mit Darstellung der verschiedenen, dort zugeordneten Profilformen
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6: weitere Ausführungsform für die Anordnung der Strömungssensoren
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7: schematisiert die Darstellung der Anströmung eines Rotorblattes und der hinter dem Rotorblatt erzeugten schrägen Abströmung
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8: schematisiert die Messsignale der drei auf einer Linie angeordneten Strömungssensoren
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9: Rechenschaltung zur Ermittlung der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit
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Die für die Erfassung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung erforderlichen hochdynamischen Messaufnehmer für Strömungen 4.1, 4.2 und 4.3 werden beispielsweise in festen äquidistanten Abständen 4.6 zueinander parallel zur Rotationsebene des Rotorblattes 3.2 und orthogonal zur Ausrichtungsachse der Gondel 4.4 auf der Gondel der Windkraftanlage 1 angeordnet.
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Der Abstand zwischen Rotationsebene der Rotorblätter 3.2 und der Anordnungslinie der Strömungssensoren 4.5 ist so gewählt, dass die Verdrehebene 2.2 des an der Nabe 2 befestigten Rotorblatts 2.1 unabhängig vom Anstellwinkel 5 die Anordnungslinie der Strömungssensoren 4.5 nicht berührt.
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Der Abstand ist weiterhin so gewählt, dass die Wirkung des vorbeilaufenden Rotorblattes 2.1 auf die Windströmung von den Messaufnehmern 4.1, 4.2, 4.3 zeitgleich erfasst wird und aus dem zeitlichen Verlauf der von den Messaufnehmern 4.1, 4.2, 4.3 erfassten Messsignalen die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit bestimmt werden.
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In 1 ist im Übrigen noch dargestellt, dass die Windanströmrichtung 6 von vorn her erfolgt und auf der windabgewandten Seite des Rotorblattes 2.1 eine schräge Abströmung erzeugt wird, die die an der Oberseite 7 der Gondel angeordneten Strömungssensoren 4.1, 4.1, 4.3 trifft.
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Die Strömungssensoren 4.1, 4.2, 4.3 liegen im gezeigten Ausführungsbeispiel bevorzugt auf einer geraden Anordnungslinie 4.5, weil angenommen wird, dass die Oberseite 7 der Gondel 1 auch im Profil gerade ausgebildet ist.
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Ist die Oberseite 7 der Gondel gekrümmt, würde sie gemäß 2 auf einer gebogenen Anordnungslinie 4.5 liegen.
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Sie sollten möglichst einen äquidistanten Abstand haben, um die Rechenschaltung zu vereinfachen.
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Dies ist jedoch nicht lösungsnotwendig, denn sie können auch unterschiedliche Abstände aufweisen, was allerdings den Aufwand bei der Auswertung der Messsignale erhöht.
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Wie ausgeführt, sollte der Abstand 4.6 möglichst gleich sein. Er kann jedoch auch unterschiedlich sein.
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Die 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, dass die Strömungssensoren 4.1–4.3 auf der vertikalen Stirnseite 8 der Gondel 1 angeordnet sein können, wobei sie jedoch möglichst weit von der Rotorwelle 9 entfernt sein sollen, die sich im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise in Pfeilrichtung 10 dreht.
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Die 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel, dass es günstig ist, wenn die Strömungssensoren 4.1–4.3 an den freien Enden von Abstandshaltern 13 angeordnet sind, um so einen Abstand 11 von der Oberfläche der Gondel 1 zu erbringen.
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Dies hat den Vorteil, dass die Strömungssensoren 4.1–4.3 in den Abströmbereich 15 direkt auf der windabgewandten Seite des Rotorblattes 2.1 verlegt werden und je größer der Abstand 11 ist, desto günstiger ist die Anströmung der Strömungssensoren 4.1–4.3.
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Sie sollten jedoch in ihrer Messebene bezogen auf die Stirnseite 8 möglichst dicht an die Rotationsebene der Rotorblätter 3.2 verlegt sein, ohne jedoch mit dem Rotorblatt 2.1 zu kollidieren.
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In 3 ist auch noch schematisiert dargestellt, dass die Gondel 1 in an sich bekannter Weise auf dem oberen Turmsegment 14 angeordnet ist.
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Die 4 zeigt schematisiert die Gliederung einer an der windabgewandten Seite der Rotorblätter entstehenden Strömung, die nicht unbedingt zentrisch sein muss, sondern sie kann schräg nach unten gerichtet sein, wie dies anhand der 7 noch erläutert werden wird.
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Es ist jedenfalls günstig, die Strömungssensoren 4.1–4.3 in den Abströmbereich 15 zu legen, der möglichst weit vom Nabenbereich des Rotorblattes 2.1 radial nach außen verlegt ist.
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An diesen Abströmbereich 15 schließt sich ein radial einwärts liegender Zwischenbereich 16 an, in dem nicht so günstige Strömungsverhältnisse bestehen wie im Abströmbereich 15 und daran schließt sich radial einwärts ein Nabenbereich 17 an, in dem die Strömungsverhältnisse ebenfalls ungünstig für die Anordnung der Strömungssensoren 4.1–4.3 sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung der Strömungssensoren 4.1–4.3 in dem radial außen liegenden Abströmbereich 15 beschränkt. Die Strömungssensoren 4.1–4.3 könnten auch im Zwischenbereich 16 und im Nabenbereich 17 angeordnet sein, wobei dann die Rechenschaltung entsprechend angepasst sein muss.
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Der für die Messanordnung günstige Abströmbereich 15 befindet sich im aerodynamischen Profilbereich 19b des Rotorblattes, wie anhand der 5 erläutert wird.
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Jedes Rotorblatt besteht im Wesentlichen aus einer Blattwurzel 18, mit dem das Rotorblatt 2.1 an der Nabe 2 befestigt ist und die Blattwurzel 18 besitzt in der Regel einen zylindrischen Bereich 19a.
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An den zylindrischen Bereich 19a schließt sich der aerodynamische Profilbereich 19b an, der sich bis zur Blattspitze 19c erstreckt.
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Es ist deshalb günstig, die Strömungssensoren 4.1–4.3etwa ab Position 25, d. h. zwischen den zylindrischen Bereiches 19a und der Blattspitze 19c im Abströmbereich 15 des Rotorblattes zu positionieren, wobei der Bereich der Blattwurzel 18 und insbesondere der zylindrische Bereich 19a für die Positionierung der Strömungssensoren 4.1–4.3 nicht ausgeschlossen ist. Es steht also die gesamte Länge 26 des Rotorblattes zur Verfügung, wobei bevorzugt wird, die Strömungssensoren 4.1–4.3 in den aerodynamischen Profilbereich 19b möglichst nahe an den zylindrischen Bereich 19a zu verlegen.
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Die 6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die scheibenförmige Anordnung der Strömungssensoren 4.1–4.3 auf einer Messscheibe 23, wobei die Strömungssensoren 4 in gleichmäßigem Abstand am Umfang eines Kreises 21 angeordnet sind und die Messscheibe 23 beispielsweise als Folienscheibe auf die Oberseite 7 der Gondel aufgeklebt wird.
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Die im Abströmbereich 15 befindliche Messscheibe 23 wird in Anströmrichtung 22, die aus der Bewegungsrichtung des Rotorblattes 3.1 und der Windanströmrichtung 6 resultiert, angeströmt, wie in 7 dargestellt.
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Die Anströmrichtung 22 entsteht also aus der vektoriellen Überlagerung der Windanströmrichtung 6 und der Bewegungsrichtung des Rotorblattes 3.1.
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In diesem Bereich ist die Messebene 24 der Strömungssensoren 4.1–4.3 angeordnet.
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Die 8 zeigt schematisiert Signale der Strömungssensoren 4.1–4.3 mit zeitlich zueinander verschobenen Amplitudenverläufen, wie sie infolge einer schrägen Anströmung der Strömungssensoren in Anströmrichtung 22 entstehen.
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Es entstehen somit unterschiedliche Zeitversätze Δt1, Δt2 und Δt3, die ein Maß für die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit sind.
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Ebenso gehen in das Messergebnis die Amplituden A1, A2 und A3 der Signale ein, sodass mit einer Rechenschaltung 20, die in 9 dargestellt ist, aus den drei Signalen der Strömungssensoren 4.1, 4.2, 4.3 durch mathematische Algorithmen einer digitalen Rechenschaltung die Windrichtung wR und die Windgeschwindigkeit wG als digitales Messsignal erzeugt werden.
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Es handelt sich hier um einen Algorithmus, der in der Lage ist, aus den Zeitversätzen und den Amplituden der verschiedenen Messsignale der Strömungssensoren 4.1–4.3 ein Messergebnis für die Windrichtung und Windgeschwindigkeit zu bilden.
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Insgesamt kann mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, die aus einer einfachen Messanordnung von mehreren Strömungssensoren besteht und die aerodynamische Abströmung nutzt, eine kostengünstige Messvorrichtung erstellt werden, die auf aufwendige Verfahren wie LIDAR und SODAR verzichtet und die im Wesentlichen aus hochdynamischen Strömungssensoren oder anderen hochdynamischen Sensoren wie z. B. Hitzdraht-Anemometern, Drucksensoren oder geheizten Thermistoren besteht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gondel
- 2
- Nabe
- 2.1
- Rotorblatt
- 2.2
- Verdrehebene des Rotorblattes
- 3.1
- Bewegungsrichtung der Rotorblätter
- 3.2
- Rotationsebene (der Rotorblätter)
- 4
- Strömungssensoren
- 4.1
- erster Strömungssensor
- 4.2
- zweiter Strömungssensor
- 4.3
- dritter Strömungssensor
- 4.4
- Längsachse der Gondel
- 4.5
- Anordnungslinie
- 4.6
- Abstand
- 5
- Anstellwinkel
- 6
- Windanströmrichtung
- 7
- Oberseite (von 1)
- 8
- Stirnseite (von 1)
- 9
- Rotorwelle
- 10
- Pfeilrichtung
- 11
- Abstand
- 13
- Abstandshalter
- 14
- oberes Turmsegment
- 15
- Abströmbereich
- 16
- Zwischenbereich
- 17
- Nabenbereich
- 18
- Blattwurzel
- 19.a
- zylindrischer Bereich
- 19.b
- aerodynamischer Profilbereich
- 19.c
- Blattspitze
- 20
- Rechenschaltung
- 21
- Kreisumfang
- 22
- Anströmrichtung
- 23
- Messscheibe
- 24
- Messebene
- 25
- Position
- 26
- Länge
- wR
- Windrichtung
- wG
- Windgeschwindigkeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2876302 A1 [0003, 0020]
- EP 2494192 A1 [0006]
- EP 2048507 A2 [0010]
- DE 20114351 U1 [0014]
- EP 1733241 B1 [0016]
- DE 20114351 B1 [0019]
- EP 1733241 [0019]
