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Die Erfindung betrifft einen Rotor mit einer Rotornabe und einer Mehrzahl von an der Rotornabe angeordneten Rotorblättern, die um ihre Längsachse drehbar an der Rotornabe gelagert sind. Die Erfindung betrifft ebenso eine Windenergieanlage mit einem derartigen Rotor sowie ein Verfahren zum Erfassen des Drehwinkels einer Drehung um die Längsachse eines Rotorblattes eines Rotors.
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Ein Rotor im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, die mindestens eine Rotornabe und eine Mehrzahl von an der Rotornabe angeordneten Rotorblättern aufweist. Bei den Rotorblättern handelt es sich um aerodynamische Körper, die ähnlich eines Flügels von einer umströmenden Luft angeströmt werden können, wobei die Form der Rotorblätter dergestalt ist, dass bei einer Anströmung der Rotorblätter eine Kraft auf die Rotorblätter wirkt, die zu einer Drehbewegung der Rotornabe führt. Hierfür ist die Rotornabe meist an einem stehenden System, bspw. bei Windenergieanlagen an einer Gondel, angeordnet, wobei dann die Drehbewegung der Rotornabe über eine Welle in die Gondel übertragen und dort bspw. zur Energieerzeugung genutzt werden kann.
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Ausgehend von der Nabenachse der Rotornabe, um die sich die Rotornabe drehen kann, sind die Rotorblätter radial abstehend angeordnet, sodass die Längsachse der Rotorblätter senkrecht auf der Nabenachse der Rotornabe steht.
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Durch eine Drehung der Rotorblätter um ihre Längsachsen lässt sich dabei die Anstellung bzw. der Anstellwinkel der Rotorblätter in Bezug auf die umströmende Luft einstellen, wodurch die auf die Rotornabe wirkende Drehkraft oder eine Auftriebskraft eingestellt werden kann. Dieser Anstellwinkel der Rotorblätter in Bezug auf die umströmende Luft wird dabei auch Pitchwinkel genannt.
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Um bei Windenergieanlagen eine optimale Energieausbeute zu erzielen, ist eine Rotorblattsteuerung notwendig, welche die Rotornabe und die Rotorblätter optimal ausrichtet. Der Einstellung des Pitchwinkels (Drehwinkel der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse) kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, da in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit der Pitchwinkel so eingestellt werden muss, dass die erzeugte Kraft und daraus resultierende Drehbewegung innerhalb der Systemgrenzen der Windenergieanlage eine möglichst hohe Energieausbeute erzielt.
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Um eine Regelung des Pitchwinkels in der Rotorblattregelung zu erzielen, ist es notwendig, wenn der Rotorblattsteuerung eine Information bezüglich des eingestellten Drehwinkels (Pitchwinkels) bereitgestellt wird.
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Aus der
DE 100 32 314 C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Winkels eines Rotorblattes einer Windenergieanlage bekannt, wobei der Pitchwinkel anhand einer fest angebrachten Abstands-Messeinrichtung, die am Turm der Windenergieanlage angebracht ist, mittels Konturvermessung ermittelt wird. Die Pitchwinkelinformationen können dabei für jedes Blatt jeweils an einer Stelle des Blattumlaufes gemessen werden, und zwar wenn das Rotorblatt den Scanbereich des am Turm der Windenergieanlage befestigten Sensors durchläuft.
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Aus der
DE 10 2008 013 392 B4 ist ein Verfahren und ein System zum Erfassen des Spurlaufes von Rotorblättern einer Windkraftanlage bekannt, wobei hier mittels eines berührungslosen Abstandssensors für jedes der Rotorblätter der Abstand zu einem einzigen vorgegebenen Messpunkt bestimmt und aus den gemessenen Abstandswerten eventuelle Abweichungen eines oder mehrere Rotorblätter hinsichtlich der Blattwinkeleinstellung bestimmt werden.
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Aus der
DE 10 2008 031 484 B4 ist ein Verfahren zur Ermittlung und Nachjustierung des relativen Flügeleinstellwinkels an Windenergieanlagen mit horizontalen Antriebsachsen bekannt, wobei von außen mit Hilfe einer Kamera Fotografien bzw. Bilder gemacht werden, die dann mittels einer Computersoftware mit virtuellen Schablonen überlagert und ausgewertet werden, wobei eine erste virtuelle Schablone Referenz- bzw. Bezugslinien für eine Rotordrehebene und eine zweite virtuelle Schablone Referenz- bzw. Bezugslinien für eine Profilsehne enthält. Hieraus lässt sich dann der Pitchwinkel ableiten.
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Aus der
DE 10 2013 201 163 A1 ist ein Verfahren zum Ausmessen eines Rotorblattwinkels bekannt, wobei hier von einem außerhalb der Windenergieanlage angebrachten Abstandssensor der Abstand der Rotorblätter erfasst und dabei die Profile abgetastet werden, wobei aus den Abständen und den dabei abgetasteten Profilen der Rotorblätter dann der Anstellwinkel bestimmt wird.
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Aus der
WO 2009/068437 A1 ist schließlich ein Verfahren zur Messung einer Auslenkung eines im Wesentlichen langgestreckten Hohlbauteils einer Windenergieanlage bekannt, bei dem mit Hilfe von Abstandssensoren und Marker eine Deformation eines Rotorblattes erkannt werden soll.
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Aus der
DE 10 2013 010 044 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Drehwinkelstellung und der Drehzahl bei rotierenden Energieerzeugungsanlagen mittels Beschleunigungsmessung in zwei Richtungen bekannt, wobei auch die Drehrate und die Drehwinkelstellung rotierender Elemente des Antriebsstranges derartige Energieerzeugungsanlagen mithilfe von Signalbänden und einer entsprechenden Erfassung feststellbar ist.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Pitchwinkels sind jedoch nachteilbehaftet. Die Techniken, die auf Abstandssensoren basieren oder die die Profilform mit Hilfe von Abstandssensoren analysieren, haben dabei den Nachteil, dass die Information immer nur an festen Rotorblattumlaufpunkten ermittelbar ist. Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren besteht darin, dass eine für eine sinnvolle Regelbarkeit einer aktiven Winkeleinstellung geforderte Genauigkeit von mindestens 0,1 Grad in Bezug auf den Pitchwinkel nur in Idealfällen erreicht werden kann. Denn die vorherrschenden Witterungseinflüsse führen im laufenden Betrieb zu Verschleißerscheinungen und somit zu einer fortschreitenden Ungenauigkeit, wodurch die Regelung selber ungenau und somit die Energieausbeute geringer wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit dem der Drehwinkel bzw. Pitchwinkel eines Rotorblattes mit einer sehr hohen Genauigkeit zu jedem Zeitpunkt des Rotorblattumlaufes ermittelt werden kann.
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Die Aufgabe wird mit dem Rotor gemäß Anspruch 1 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 12 erfindungsgemäß gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Rotor mit einer Rotornabe und einer Mehrzahl von an der Rotornabe angeordneten Rotorblättern beansprucht, wobei die Rotorblätter um ihre Längsachse drehbar an der Rotornabe gelagert sind. Die Rotorblätter sind dabei in Bezug auf die Rotornabe radial nach außen abstehend an der Rotornabe angeordnet, wobei die Längsachse der Rotorblätter vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Nabenachse der Rotornabe steht. Die Rotornabe wird dabei in der Regel bei einer Windenergieanlage an einer Gondel drehbar gelagert, sodass durch eine Drehung der Rotornabe um die Nabenachse die Rotorblätter eine Drehbewegung bzw. Umlaufbewegung um die Nabenachse vollziehen.
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Der Rotor weist dabei einen Hohlraum auf, der einen Rotorinnenbereich bildet, wobei dies dadurch geschehen kann, dass die Rotornabe und/oder die Rotorblätter innen hohl ausgebildet sind und somit den Rotorinnenbereich bilden.
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Des Weiteren weist der Rotor gemäß Anspruch 1 ein Drehwinkel-Erfassungssystem auf, das zum Erfassen eines Drehwinkels einer Drehung um die Längsachse mindestens eines Rotorblattes ausgebildet ist, wodurch sich der Pitchwinkel des jeweiligen Rotorblattes erfassen lässt.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Drehwinkel-Erfassungssystem wenigstens eine Messskala aufweist, die eine Vielzahl von Skalenwerten hat, die jeweils Drehwinkelinformationen kodieren. Des Weiteren weist das Drehwinkel-Erfassungssystem mindestens einen bildgebenden Sensor auf, der zur Aufnahme von Bilddaten innerhalb eines Erfassungsbereiches ausgebildet ist und diese aufgenommenen Bilddaten dann an eine Bildauswerteeinheit des Drehwinkel-Erfassungssystem weiterleitet, um die aufgenommenen Bilddaten mit Hilfe eines Bilderkennungsprogramms zu analysieren.
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In Bezug auf mindestens ein Rotorblatt sind die Messskala und der bildgebende Sensor dabei im Innenbereich des Rotors so angeordnet, dass eines der beiden Elemente (Messskala oder bildgebender Sensor) in Bezug zu dem Rotorblatt an diesem ortsfest angeordnet wird, während das jeweils andere Element (bildgebender Sensor oder Messskala) in Bezug zu der Rotornabe an dieser ortsfest angeordnet wird, sodass bei einer Drehung des Rotorblattes um seine Längsachse die Messskala relativ zu dem bildgebenden Sensor bewegt wird.
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Die Messskala und der bildgebende Sensor sind dabei jeweils so angeordnet, dass bei einer Drehung des Rotorblattes um seine Längsachse zumindest ein Teil der Skalenwerte der Messskala durch den Erfassungsbereich des bildgebenden Sensors bewegt werden, sodass nach Beendigung einer Drehbewegung des Rotorblattes im Erfassungsbereich des bildgebenden Sensors derjenige Skalenwert der Messskala liegt, dessen kodierte Drehwinkelinformation dem eingestellten Drehwinkel (Pitchwinkel) entspricht.
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Der im Erfassungsbereich des bildgebenden Sensors liegende Skalenwert der Messskala wird nun mit Hilfe des bildgebenden Sensors aufgenommen und an die Bildauswerteeinheit weitergeleitet, wobei diese nun so ausgebildet ist, dass sie den in den aufgenommenen Bilddaten enthaltenen Skalenwert erkennt und somit entsprechend ermittelt und dann in Abhängigkeit von dem ermittelten Skalenwert und der damit kodierten Drehwinkelinformation dann den Drehwinkel des Rotorblattes bestimmt.
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So können die Skalenwerte der Messskala bspw. Ziffern sein, die dann eine entsprechende Zahl als Drehwinkelinformation bilden, wobei die Bildauswerteeinheit dann zum Erkennen der Ziffern auf der Messskala im Erfassungsbereich und zum Ermitteln des Drehwinkels aus den erkannten Ziffern ausgebildet ist.
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Somit wird es möglich, den Drehwinkel (Pitchwinkel) eines Rotorblattes einer Rotornabe während jeder Umlaufposition des Rotorblattes um die Nabenachse zu bestimmen, ohne dass das Mess- und Erfassungssystem den widrigen Umwelteinflüssen einer Windenergieanlage ausgesetzt wird. Denn zumindest die Skala und der bildgebende Sensor, die zusammen eine Messvorrichtung bilden, sind in einem Rotorinnenbereich des Rotors angeordnet und somit vor den widrigen Umwelteinflüssen geschützt. Darüber hinaus wird es mit der vorliegenden Erfindung auch möglich, eine Genauigkeit bei der Ermittlung des Pitchwinkels von mindestens 0,1 Grad zu erzielen, und das an jedem Punkt des Rotorblattumlaufes um die Nabenachse. Die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Systeme können somit mit der vorliegenden Erfindung überwunden werden.
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Die Messskala kann neben entsprechenden Ziffern zur Kodierung von Drehwinkelinformationen auch gleichmäßig verteilte Teilbereichsstriche aufweisen, wobei die einzelnen Ziffern zur Kodierung der Drehwinkelinformation dann einem Teilbereichsstrich zugeordnet sind. Der bildgebende Sensor kann dabei insbesondere so ausgebildet sein, dass er in seinem Erfassungsbereich eine Referenzmarkierung aufweist, um so eine Referenzierung des Skalenwertes auf eine entsprechende Position innerhalb des Erfassungsbereiches zu ermöglichen. Dies ist dann sinnvoll, wenn der Aufnahmebereich des bildgebenden Sensors deutlich größer ist als die dargestellten Skalenwerte. Denkbar ist aber auch, dass der Erfassungsbereich ein gegenüber dem Aufnahmebereich fester Bereich innerhalb des Bildes darstellt, dessen dort enthaltener Skalenwert dann den Drehwinkel des Rotorblattes anzeigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Messskala als Skalenwerte eine Vielzahl von Muster auf, die jeweils einen Drehwinkel einer Drehung um die Längsachse des mindestens einen Rotorblattes repräsentieren. So ist es bspw. denkbar, dass ein solches Muster jeweils eine binäre Kodierung einer Zahl darstellt, wobei jede durch ein Binärmuster kodierte Zahl jeweils einen Drehwinkel repräsentiert.
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Der Vorteil hierbei liegt darin, dass derartige Binärmuster sehr schnell und zuverlässig durch eine Bildauswerteeinheit erkannt werden können, wobei diese noch dazu gegenüber Fehlinterpretationen sehr robust sind. Leichte Verschmutzungen führen somit nicht gleich zu fehlerhaften Messergebnissen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Messskala ortsfest in Bezug auf das Rotorblatt angeordnet, bspw. dergestalt, dass die Messskala an einer Innenwand des Rotorblattes im Rotorinnenbereich umlaufend angeordnet ist, und zwar umlaufend in Bezug auf die Längsachse des Rotorblattes. Die Messskala ist somit an der Innenwand des Rotorblattes zu der Längsachse des Rotorblattes radial umlaufend angeordnet, sodass die Messskala bei einer Drehung des Rotorblattes um die Längsachse relativ zu der Rotornabe, an der der bildgebende Sensor ortsfest in Bezug auf die Rotornabe angeordnet ist, bewegt wird.
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Der bildgebende Sensor, der in Bezug auf die Rotornabe ortsfest angeordnet ist, bewegt sich somit gegenüber der Rotornabe nicht, die Messskala jedoch bewegt sich gegenüber dem bildgebenden Sensor, wobei dieser mit seinem Erfassungsbereich auf die Messskala so ausgerichtet ist, dass bei einer Drehung des Rotorblattes um die Längsachse die Skalenwerte der Messskala durch den Erfassungsbereich des bildgebenden Sensors bewegt werden.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Anordnung innerhalb des Rotorinnenbereiches sehr platzsparend durchgeführt werden kann und darüber hinaus eine hohe Genauigkeit erreicht werden kann, da die Messskala nunmehr sehr feingliederig die entsprechenden Drehwinkelinformationen enthalten kann. Bei einem Durchmesser des Rotorblattes von 3,2 m wird somit ein Drehwinkel von 0,1 Grad auf 2,8 mm abgebildet, was durch eine entsprechende Messskala und eine Bildauswerteeinheit problemlos detektierbar ist.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist die Messskala mit ihren Skalenwerten an einem Zahnradkranz angeordnet, wobei der Zahnradkranz im Rotorinnenbereich des Rotorblattes angeordnet und mit einer Drehvorrichtung im Eingriff steht, sodass über die Drehvorrichtung und den Zahnradkranz dann eine Drehung des Rotorblattes um die Längsachse bewirkt werden kann. Vorzugsweise ist der Zahnradkranz dabei an einer Rotorblattinnenwand radial umlaufend um die Längsachse des Rotorblattes vorgesehen. Auch hierdurch kann die Messskala sehr platzsparend innerhalb des Rotorinnenbereiches angeordnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform hierzu ist die Messskala an dem Zahnradkranz derart angeordnet, dass an zumindest einem Teil der Zähne, vorzugsweise an allen Zähnen des Zahnradkranzes jeweils ein Skalenwert angeordnet ist, sodass jedem Zahn mit einem Skalenwert so eine Drehwinkelinformation zugeordnet werden kann.
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Die Drehwinkelinformation, die durch den Skalenwert auf dem jeweiligen Zahn des Zahnradkranzes abgebildet ist, referenziert dabei vorzugsweise auf die Spitze des Zahnes, wobei es dann besonders vorteilhaft ist, wenn mit Hilfe der Bildauswerteeinheit die Position der Flanke des Zahnes in Bezug auf den Erfassungsbereich oder eine Referenzmarkierung ermittelt wird, um so Drehwinkelinformationen zwischen den Zähnen des Zahnradkranzes interpolieren zu können. Damit wird der Drehwinkel des Rotorblattes mit Hilfe der Bildauswerteeinheit von dem ermittelten Skalenwert des Zahnes einerseits und zumindest noch in Abhängigkeit von der Position der Flanke des Zahnes in Bezug auf den Erfassungsbereich oder eine Referenzmarkierung bestimmt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Drehwinkel-Erfassungssystem eine Heizvorrichtung auf, die zum Beheizen der mindestens einen Messskala zumindest im Erfassungsbereich des bildgebenden Sensors und/oder zum Beheizen des mindestens einen optischen Sensors ausgebildet ist. Hierdurch kann einem Beschlagen der Messskala oder des optischen Sensors durch Kondenswasser entgegengewirkt werden.
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Des Weiteren weist das Drehwinkel-Erfassungssystem in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten der mindestens einen Messskala zumindest im Erfassungsbereich auf, sodass auch ein herkömmlicher bildgebender Sensor in Form einer Digitalkamera verwendet werden kann. Dabei ist es denkbar, dass die Beleuchtungseinheit immer nur dann eingeschaltet wird, wenn eine Drehung des Rotorblattes um die Längsachse bewirkt wird. Denn aufgrund der Wärme-/Lichtverhältnisse innerhalb der meisten Rotoren ist nicht davon auszugehen, dass Wärmebildkameras oder Restlichtverstärker verwendbare Daten generieren können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Drehwinkel-Erfassungssystem eine Reinigungseinheit zum Reinigen der Messskala auf, was bspw. durch Bürsten oder ähnliches realisiert werden kann. Wenn das Rotorblatt um die Längsachse gedreht wird, so werden die Bürsten oder Borsten gegenüber der Messskala bewegt, wodurch ein Reinigungseffekt der Messskala erzielt wird.
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Denkbar ist aber auch, dass ein aktives Reinigungssystem vorgesehen ist, das in regel- oder unregelmäßigen Abständen eine vollständige Reinigung der Messskala vornimmt, um die Fehleranfälligkeit des Systems zu minimieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Bildauswerteeinheit mit einer Rotorblattregelung signaltechnisch verbunden und stellt somit der Rotorblattregelung den ermittelten Drehwinkel (Pitchwinkel) zur Verfügung. Die Rotorblattregelung ist nun so eingerichtet, dass die Ansteuerung der Aktuatoren zum Drehen des Rotorblattes um die Längsachse weiterhin auch in Abhängigkeit des bereitgestellten Drehwinkels erfolgt, sodass sich eine vollständige Regelung des Pitchwinkels ergibt.
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Gemäß Anspruch 11 wird eine Windenergieanlage mit einem Rotor wie vorstehend beschrieben beansprucht, wobei der Rotor an einer Gondel drehbar angeordnet ist, wobei wiederum die Gondel im oberen Bereich eines Turms befestigt ist. Die Gondel kann dabei um die Längsachse des Turms drehbar sein, um so die Rotornabe immer in die entsprechend günstige Windrichtung zu drehen.
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Im Übrigen wird die Aufgabe auch mit dem Verfahren gemäß Anspruch 12 zum Erfassen eines Drehwinkels einer Drehung um die Längsachse eines Rotorblattes gelöst.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung einer Windenergieanlage;
- 2 schematische Darstellung des Drehwinkel-Erfassungssystems in einer Ausführungsform;
- 3 schematische Darstellung einer Zahnradkranz-Ausführungsform;
- 4 Abbildungen verschiedener Skalenvarianten;
- 5 schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Reinigungseinheit.
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1 zeigt eine Windenergieanlage 1, die einen Turm 2 und eine im oberen Bereich angeordnete Gondel bzw. Maschinengondel 3 aufweist. Die Maschinengondel 3 ist dabei an dem Turm drehbar angeordnet und gelagert, sodass die Maschinengondel 3 um eine Achse A1 gedreht werden kann. Die Achse A1 ist dabei senkrecht in Bezug zur Erdoberfläche.
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An der Maschinengondel 3 ist des Weiteren ein Rotor 4 angeordnet, der eine Rotornabe 5 und zwei Rotorblätter 6 hat. Die Rotornabe 5, die auch als Rotorkopf bezeichnet werden kann, ist dabei an der Maschinengondel 3 um eine weitere Drehachse A2 drehbar gelagert, sodass die an der Rotornabe 5 angeordneten Rotorblätter 6 um diese Achse A2 rotieren.
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In der Regel ist dabei die Rotornabe 5 über eine Welle mit der Maschinengondel 3 verbunden, wobei die Maschinengondel 3 entsprechende Energieumwandler aufweist, mit denen die kinetische Rotationsenergie der Rotornabe 5 in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Die Rotation der Rotornabe 5 um die Rotationsachse A2 wird dabei durch eine Anströmung der Rotorblätter 6 aufgrund einer Luftströmung L bewirkt, da die Rotorblätter 6 als aerodynamische Körper bei Anströmung einen Kraftvektor erzeugen, der zur Rotation der Rotornabe 5 führt.
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Die Rotorblätter 6 sind dabei an der Rotornabe 5 ebenfalls drehbar angeordnet und gelagert, wobei die Rotorblätter um ihre Längsachse A3 drehbar an der Rotornabe 5 angeordnet und gelagert sind. Durch diese Drehung der Rotorblätter 6 um die Längsachse A3 kann der Anstellwinkel (Pitchwinkel) der Rotorblätter 6 gegenüber der Luftströmung L verändert werden, wodurch die durch die Anströmung der Rotorblätter 6 erzeugte Kraft eingestellt bzw. variiert werden kann.
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2 zeigt schematisch das Drehwinkel-Erfassungssystem 10 in einer Ausführungsform, bei dem die Messskala an dem Rotorblatt und der bildgebende Sensor an der Rotornabe jeweils ortsfest angeordnet sind. In 2 ist dabei ein Querschnitt durch ein Rotorblatt 6 im Wurzelbereich gezeigt, wobei an einer Innenwand 8 eines Rotorinnenbereiches 7 umlaufend eine Messskala 11 angeordnet ist. Der Rotorinnenbereich 7 wird dabei durch einen Hohlraum des Rotorblattes 6 gebildet, während die Innenwand 8 ein Teil des Rotorblattes 6 ist und den Rotorinnenbereich 7 von einem Außenbereich trennt.
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Die Messskala 11 weist entsprechende Skalenwerte 12 auf, die jeweils mit einem Drehwinkel des Rotorblattes 6 um die Längsachse A3 korrespondieren.
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Das Drehwinkel-Erfassungssystem 10 weist des Weiteren einen bildgebenden Sensor 13 auf, der an der nicht dargestellten Rotornabe ortsfest angeordnet ist und sich gegenüber einer Drehung des Rotorblattes 6 um die Längsachse A3 nicht bewegt. Die Messskala 11 würde sich somit bei einer Drehung des Rotorblattes 6 um die Längsachse A3 relativ zu dem bildgebenden Sensor 13 bewegen, wodurch sich der Drehwinkel aus der Messskala 11 ableiten lässt.
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Der bildgebende Sensor 13 hat einen Erfassungsbereich 14 innerhalb dessen Bilddaten aufgenommen und an die Auswerteeinheit 15 weitergeleitet werden. Der bildgebende Sensor 13 ist dabei so ausgerichtet, dass sein Erfassungsbereich 14 auf die Messskala 11 ausgerichtet ist, wobei im unbewegten Zustand nur ein kleiner Teil der gesamten Messskala 11 in dem Erfassungsbereich 14 liegt.
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Wird nun das Rotorblatt 6 um die Längsachse A3 gedreht, so werden einige der Skalenwerte 12 der Messskala 11 durch den Erfassungsbereich 14 bewegt. Ist die Drehbewegung um die Längsachse A3 beendet, so wird von dem bildgebenden Sensor 13 im Erfassungsbereich 14 ein Bild aufgenommen, wobei mit Hilfe der Bildauswerteeinheit 15 dann der im Erfassungsbereich 14 des bildgebenden Sensors 13 liegende Skalenwert 12 der Messskala 11 detektiert. Aus diesem Skalenwert, der mit einer entsprechenden Drehwinkelinformation korreliert, kann nun der Drehwinkel (Pitchwinkel) bestimmt werden, der sich relativ oder absolut aus dem Skalenwert im Erfassungsbereich 14 ergibt.
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Absolut meint hierbei, dass die Skalenwerte 12 der Messskala 11 direkt einem Pitchwinkel zugeordnet sind, sodass der Skalenwert selber direkt den Pitchwinkel anzeigt. Relativ meint hierzu, dass der Skalenwert nicht direkt auf dem Pitchwinkel abgebildet ist, sondern durch Addition eines Offsets gebildet wird. Hierdurch lässt sich bspw. ein Nachjustieren realisieren, wenn es zu Verschiebungen der Skala gekommen ist.
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Das Drehwinkel-Erfassungssystem 10 weist des Weiteren eine Beleuchtungseinheit 16 auf, die so ausgebildet ist, dass sie zumindest den Erfassungsbereich 14 des bildgebenden Sensors 13 beleuchtet.
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Des Weiteren weist das Drehwinkel-Erfassungssystem 10 eine Heizvorrichtung 17 auf, die zum Beheizen der Messskala 11 zumindest im Erfassungsbereich 14 des bildgebenden Sensors 13 und/oder zum Beheizen des bildgebenden Sensors 13 selber ausgebildet ist, um so bspw. ein Beschlagen der Messskala oder des bildgebenden Sensors zu verhindern.
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Der von der Bildauswerteeinheit 15 ermittelte Drehwinkel des Rotorblattes 6 kann dann bspw. einer Rotorblattregelung 100 bereitgestellt werden, die nicht mehr Bestandteil des Drehwinkel-Erfassungssystems sein muss. In Abhängigkeit von dem bereitgestellten Drehwinkel kann dann die Rotorblattsteuerung erfolgen, indem bspw. ein genau vorgegebener Pitchwinkel konstant eingestellt wird.
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Äquivalent zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist es, wenn die Messskala 11 nicht an dem Rotorblatt 6 angeordnet ist, sondern ortsfest an der Rotornabe, während der bildgebende Sensor ortsfest an dem Rotorblatt angeordnet wird. Auch hier erfolgt letztlich eine relative Bewegung zwischen bildgebendem Sensor und Messskala, wodurch der eingestellte Drehwinkel an der Messskala durch den bildgebenden Sensor abgelesen werden kann.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Messskala 11 an einem Zahnradkranz 18 angeordnet ist. Der Zahnradkranz 18 kann dabei bspw. ortsfest mit dem Rotorblatt 6 verbunden und mit einer Antriebseinheit im Eingriff stehen, um das Rotorblatt 6 um die Längsachse A3 zu drehen. Die Längsachse A3 führt in 3 aus der Betrachtungsebene heraus, sodass die Darstellung einen direkten Querschnitt durch das Rotorblatt 6 zeigt.
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Der Zahnradkranz 18 weist hierfür eine Mehrzahl von Zähnen 19 auf, deren Spitze (der Teil des Zahnes 19, der in Richtung Längsachse A3 zeigt) dem Drehwinkel, der dem jeweiligen Zahn als Skalenwert 12 zugeordnet ist, entspricht. Da die einzelnen Zähne 19 jedoch eine sehr grobe Einteilung aufweisen, ist es durchweg sinnvoll, zwischen den einzelnen Zähnen 19 zu interpolieren. Die Skalenwerte 12 sind in 3 nur schematisch angedeutet.
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Hierfür weist der Erfassungsbereich 14 eine Referenzmarkierung 14a auf, mit der die exakte Verschiebung des Zahnradkranzes gegenüber einer Nullreferenz ermittelbar ist. Da die einzelnen Zähne 19 eine monoton steigende und abfallende Flanke aufweisen, kann die Position innerhalb der Flanke eines Zahnes 19 detektiert und in Zusammenhang mit dem Skalenwert des jeweiligen Zahnes 19 dann der Drehwinkel bestimmt werden. Mit anderen Worten, es wird die genaue Position der Flanke eines Zahnes 19 an der definierten Position der Referenzmarkierung 14a im Sensorbild 14 des bildgebenden Sensors 13 ermittelt woraus sich eine graduelle Abweichung von der Zahnspitze des Zahnes 19 ableitet, die dann zur Korrektur des Skalenwertes des Zahnes 19 hergenommen wird.
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4 zeigt noch einmal schematisch drei verschiedene Messskalenvarianten, wie sie unter anderem der vorliegenden Erfindung zugrunde gelegt werden können. Die obere Skalenvariante 1 zeigt dabei eine numerische Messskala, bei der jedem Teilstrich der Messskala ein entsprechender Skalenwert in Form eines Drehwinkels zugeordnet ist. Der Abstand der einzelnen Teilstriche der Messskala in Skalenvariante 1 hängt dabei zum einen von der gewünschten Genauigkeit und zum anderen von dem Umfang der Rotorinnenwand ab. Bei einer umlaufenden Messskala, die bspw. an der Innenwand eines Rotorblattes oder der Rotornabe angeordnet ist, und die einen Durchmesser von 3,2 m hat, ergibt sich ein Abstand von 2,8 mm zwischen den einzelnen Teilstrichen, um eine Genauigkeit von 0,1 Grad zu erreichen. Es ist allerdings auch denkbar, dass eine deutlich größere Aufteilung verwendet wird, wobei dann die Bildauswerteeinheit so ausgebildet ist, dass zwischen den einzelnen Teilbereichen interpoliert werden kann.
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Die zweite Skalenvariante im mittleren Bereich zeigt ein Binärmuster, wobei jeder Skalenwert ein eindeutiges Binärmuster aufweist. Jeder einzelne als Binärmuster dargestellte Skalenwert entspricht dabei einer Zahl, die dann einem jeweiligen Drehwinkel zugeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel der 4 ist die Skalenvariante 2 dergestalt, dass die Binärmuster fortlaufend immer die nächst höhere Zahl darstellen (kodiert in Binärform), wobei die jeweilige Zahl des Skalenwertes dann einem entsprechenden Drehwinkel zugeordnet ist.
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Das Binärmuster in der Skalenvariante 2 kodiert eine Zahl dabei derart, dass ein weißes Kästchen logisch 0 darstellt, während ein gefülltes Kästchen (Teilmuster) logisch 1 bedeutet. Aus einem solchen Binärmuster lässt sich dann eine Binärzahl aus Nullen und Einsen erzeugen, die dann als eine Zahl im Dezimalsystem interpretiert werden kann.
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Skalenvariante 3 der 4 zeigt die Messskala an einem Zahnradkranz, wie er in 3 schematisch dargestellt ist.
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5 zeigt schematisch eine Reinigungseinheit 20, die ausgebildet ist, die Messskala 11 von Verschmutzungen zu reinigen. Hierfür weist die Reinigungseinheit 20 eine Bürste 21 auf, die entlang der Messskala 11 geführt werden kann und so die Messskala reinigt. Die Bürste 21 kann dabei höhenverstellbar ausgebildet sein oder dauerhaft mit der Messskala in Verbindung stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windenergieanlage
- 2
- Turm
- 3
- Maschinengondel
- 4
- Rotor
- 5
- Rotornabe
- 6
- Rotorblätter
- 7
- Rotorinnenbereich
- 8
- Innenwand
- 10
- Drehwinkel-Erfassungssystem
- 11
- Messskala
- 12
- Skalenwerte
- 13
- bildgebender Sensor
- 14
- Erfassungsbereich
- 14a
- Referenzmarkierung
- 15
- Bildauswerteeinheit
- 16
- Beleuchtungseinheit
- 17
- Heizvorrichtung
- 18
- Zahnradkranz
- 19
- Zähne
- 20
- Reinigungseinheit
- 21
- Bürste
- 100
- Rotorblattregelung
- A1
- Drehachse der Maschinengondel
- A2
- Nabenachse
- A3
- Längsachse der Rotorblätter
- L
- Luftströmung
