DE102018127414A1

DE102018127414A1 - Verbesserung bzw. Maximierung des Ertrags in Abhängigkeit der Turbulenzintensität und deren Messung

Info

Publication number: DE102018127414A1
Application number: DE102018127414.9A
Authority: DE
Inventors: Onur Kimilli; Markus Schmid; Luis Vera-Tudela
Original assignee: fos4X GmbH
Current assignee: Vc Viii Polytech Holding Aps Dk
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2020-05-07
Anticipated expiration: 2038-11-03
Also published as: DE102018127414B4

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage wird beschrieben. Das Verfahren beinhaltet Messen einer Schallemission mittels eines am Rotorblatt angebrachten Drucksensors oder eines Mikrophons; Ermitteln einer Turbulenzintensität basierend auf der Schallemission; Bestimmen eines oder mehrerer Sollwerte für zumindest einen der Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Schnelllaufzahl und eines Pitchwinkels; und Steuerung der Windenergieanlage basierend auf dem einen oder den mehreren Sollwerten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemein eine Steuerung bzw. Kontrolle von Windenergieanlagen, insbesondere eine Messung für eine Verbesserung des Ertrags in Abhängigkeit der Turbulenzintensität an Windenergieanlagen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung und eine Windenergieanlage.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Zur Steuerung von Windenergieanlagen gewinnen Messsysteme an Bedeutung. Die Turbulenzintensität ist ein Parameter zur Beschreibung von Windfeldern. Die Turbulenzintensität ist ein Maß für die Fluktuation von Turbulenzen und wird beschrieben als, zum Beispiel, die Standardabweichung der Windgeschwindigkeitsänderung geteilt durch die mittlere Geschwindigkeit (Reynoldsgemittelt). Solche Fluktuationen resultieren in Abweichungen vom Auslegungspunkt eines Rotorblatts. Insbesondere positive Fluktuationen, d. h. Windgeschwindigkeiten höher als die mittlere Windgeschwindigkeit, können zu einem dynamischen Anstieg des Anstellwinkels führen, und somit zu einem Strömungsabriss. Abweichungen vom Auslegung. Führen zu einem Verlust im Ertrag einer Windenergieanlage.
Gegenwärtig wird ein Auslegungspunkt für den Betrieb gemäß einer statistisch relevanten Turbulenzintensität, zum Beispiel einer statistisch am häufigsten Turbulenzintensität, (typischerweise 10 %) gewählt. Betriebsparameter werden für einen solchen Auslegungspunkt optimiert. Durch Variationen des wirklichen Werts der Turbulenzintensität, bleibt der Ertrag teilweise unter einem maximalen Ertrag zurück. Insbesondere während hoher Turbulenzintensitäten kann ein Ertragsverlust im Vergleich zu dem Ertrag, der am Auslegungspunkt der Turbulenzintensität generiert wird, erfolgen.
Turbulenzintensitäten können mit einem Windmessmast oder einem meteorologischen Mast gemessen werden. Deren Frequenzband weite ist gegebenenfalls jedoch gering. Weiterhin kann die Verwendung eines Windmasts insbesondere in Windparks den Effekt des Windschattens, der hinter einer Windenergieanlage existiert, nur schwer oder nicht erfassen.
Eine weitere Verbesserung bzw. Optimierung des Ertrags von Windenergieanlagen ist erstrebenswert.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage gemäß Anspruch 1, eine Anordnung zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem Rotor gemäß Anspruch 10, und eine Windenergieanlage gemäß Anspruch 12 Verfügung. Weitere Details, Ausführungsformen, Merkmale und Aspekt ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage zur Verfügung gestellt. Das Verfahren beinhaltet Messen einer Schallemission mittels eines am Rotorblatt angebrachten Drucksensors oder eines Mikrophons; Ermitteln einer Turbulenzintensität basierend auf der Schallemission; Bestimmen eines oder mehrerer Sollwerte für zumindest einen der Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Schnelllaufzahl und eines Pitchwinkels; und Steuerung der Windenergieanlage basierend auf dem einen oder den mehreren Sollwerten.
Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem Rotor zur Verfügung gestellt. Die Anordnung beinhaltet zumindest einer an einem Rotorblatt angebrachter Drucksensor oder zumindest ein an einem Rotorblatt angebrachtes Mikrophone; und eine Auswerteeinheit zum Ermitteln einer Turbulenzintensität basierend auf einer von dem zumindest einem Drucksensor oder dem Mikrophone gemessenen und zum Bestimmen eines oder mehrerer Sollwerte für zumindest einen der Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Schnelllaufzahl und eines Pitchwinkels.
Gemäß einem weiteren Aspekt werden Windenergieanlagen mit Anordnungen gemäß hier beschriebener Ausführungsformen zur Verfügung gestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Hardwaremodul bereitgestellt, umfassend ein Computerprogramm, das ausgelegt ist, die Verfahren der hier beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 zeigt schematisch ein Rotorblatt mit einer Anordnung bzw. eine Messvorrichtung angepasst zur Verbesserung des Ertrags hinsichtlich der Turbulenzintensität einer Windenergieanlage gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen,
2A und 2B zeigen eine Windenergieanlage und einen Rotor gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen;
3 zeigt schematisch einen faseroptischen Drucksensor mit einer Kavität in einem Längsschnitt entlang einer Lichtleiterachse, gemäß einer Ausführungsform;
4A zeigt schematisch einen faseroptischen Drucksensor mit einem optische Resonator gemäß einer Ausführungsform;
4B zeigt den in 4A dargestellten faseroptischen Drucksensor in einer perspektivischen Ansicht gemäß einer Ausführungsform;
5 zeigt schematisch einen Messaufbau für einen faseroptischen Drucksensor gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen;
6 zeigt schematisch einen Messaufbau für einen faseroptischen Drucksensor gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen;
7 zeigt ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zur Zustandsüberwachung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
DETAILLEIRTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNFSFORMEN
Im Folgenden wird detaillierter Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wobei ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf die Identifikation bzw. Erkennung einer Turbulenzintensität des Windes, insbesondere der Erkennung in Echtzeit bzw. quasi Echtzeit, einer Turbulenzintensität. Zum Beispiel kann eine lokale Turbulenzintensität, der die Windenergieanlage ausgesetzt ist, und/oder eine lokale Turbulenzintensität, der eines oder mehrere der Rotorblätter eines Rotors ausgesetzt sind, erkannt werden. Basierend auf der Turbulenzintensität werden die Betriebsbedingungen verbessert bzw. optimiert. Zum Beispiel kann der Pitchwinkel und/oder eine Schnelllaufzahl (tip speed ratio, TSR) verbessert bzw. optimiert werden, um den Ertrag der Windenergieanlage zu verbessern bzw. zu maximieren.
1 zeigt die Anordnung 100 zur Steuerung einer Windenergieanlage. Diese kann teilweise in einem Rotorblatt 101 zur Verfügung gestellt sein. Die Anordnung 100 zur Steuerung einer Windenergieanlage umfasst eine Auswerteeinheit 250. Die Auswerteeinheit 250 ist mit einem ersten Drucksensor 120 verbunden. Jeweils der erste Drucksensor 120 gegebenenfalls ein oder mehr weitere Drucksensoren können beispielsweise über Signalleitungen, wie in etwa elektrische Leitungen, faseroptische Leitungen etc. mit der Auswerteeinheit 250 verbunden sein. Gemäß typischen Ausführungsformen kann der Drucksensor 120 an der Vorderkante und/oder Hinterkante des Rotorblatts 120 zur Verfügung gestellt sein. Die Bewegungsrichtung des Rotorblatts am Rotor ist exemplarisch mit Pfeil 104 dargestellt. Ausführungsformen werden im Hinblick auf die vorliegenden Figuren mit einem oder mehreren Drucksensoren beschrieben. Gemäß anderen Ausführungsformen können zusätzlich oder anstelle von Drucksensoren ein oder mehrere Mikrophone verwendet werden.
Die Auswerteeinheit 250 kann einen oder mehrere Sollwerte für zumindest einen der Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Schnelllaufzahl und eines Pitchwinkels bestimmen.
In 1 hat die Längsachse 103 des Rotorblatts 101 ein dazu ausgerichtetes Koordinatensystem, das heißt ein blattfestes Koordinatensystem, das in 1 exemplarisch durch vorstehend beschriebe erste Achse 131 und zweite Achse 132 dargestellt ist. Die dritte Achse 133 ist im Wesentlichen parallel zur Längsachse 103. Eine Änderung des Pitchwinkels entspricht im Wesentlichen einer Rotation des Rotorblatts um die Längsachse 103. Zur Verbesserung des Ertrags kann der Pitchwinkel verändert werden. Gemäß hier beschriebener Ausführungsformen kann ein Sollwert für den Pitchwinkel basierend auf der ermittelten Turbulenzintensität ermittelt werden. Das Rotorblatt kann von seinem Istwert auf den Sollwert gepitcht werden.
Das Rotorblatt 101 aus 1 ist mit der Anordnung 100 zur ausgestattet. Der Drucksensor 120 (oder ein Mikrophone) ist an einer ersten Position angebracht. Gemäß weiteren optionalen Ausführungsformen kann ein oder mehrere weitere Drucksensoren zur Verfügung gestellt sein. Zum Beispiel können diese an radial unterschiedlichen Positionen, d.h. entlang der Achse 103, zur Verfügung gestellt sein. Drucksensoren 120 können beabstandet, insbesondere in Richtung der Längsachse 103 des Rotorblatts 101 beabstandet sein.
Gemäß typischen Ausführungsformen, kann eine Positionierung eines Drucksensors entlang des Radius eines Rotorblatts wie folgt zur Verfügung gestellt werden. Bei Rotorblättern, die bis ca. 50 % bis 60 % des Radius (der Blattflanschs entspricht hier in etwa 0 % des Radius) begehbar sind, kann zumindest ein Drucksensor an einer radialen Position im Bereich der äußeren 70 % des Radius des Rotorblatts zur Verfügung gestellt werden. Bei Rotorblättern, die einen deutlich geringeren begehbaren Bereich aufweisen, kann der Vorteil einer Montage an einer begehbaren Position alternativ auch aufgegeben werden. In einem solchen Fall kann eine Montage eines Drucksensors nahe der Blattspitze, zum Beispiel in einem Bereich von 30 % bis 95 % des Radius (0 % entspricht dem Flansch an der Blattwurzel) zur Verfügung gestellt werden.
Eine Anordnung von Sensoren in einem der Blattspitze zugewandten Bereich wird gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen insbesondere durch die Verwendung faseroptischer Sensoren, zum Beispiel faseroptischer Drucksensoren, ermöglicht. Faseroptische Sensoren können ohne elektrische Komponenten zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch kann vermieden werden, dass ein Blitzeinschlag unmittelbar in elektronische Komponenten und/oder Kabel bzw. Signalkabel für elektronische Komponenten erfolgt. Ferner kann selbst bei einer Ableitung eines Blitzeinschlags über einen Blitzableiter, d.h. bei einer kontrollierten Ableitung zu einem Erdpotenzial, ein Schaden durch die durch Induktion erzeugten Ströme in Kabeln bzw. Signalkabeln vermieden werden.
Wenn Turbulenzen, zum Beispiel atmosphärische Turbulenzen in Form von Windturbulenzen, auf eine feste Struktur treffen, werden Geräusche bzw. Lärm erzeugt, sogenannte Vorderkantengeräusche oder sogenannter Vorderkantenlärm (turbulence inflow noise). Das auf den Turbulenzen basierende Geräusch ist zusammen mit dem Geräusch der Hinterkante eines Rotorblatts eines der dominanteres Geräuschquellen von Windturbinen. Vorderkantenlärm, der von der Windenergieanlage emittiert wird, hängt von der Rotationsgeschwindigkeit der Windenergieanlage und der Turbulenzintensität ab. Mittels Drucksensoren oder Mikrophone kann der emittierte Schallpegel erfasst werden. Zum Beispiel können Drucksensoren oder Mikrophone an einer Hinterkante eines Rotorblatts zur Verfügung gestellt sein.
Der Schallpegel, der mittels Drucksensoren oder Mikrophonen gemessen werden kann, ist eine Funktion der Turbulenzintensität und der Rotationsgeschwindigkeit. Gegebenenfalls, kann auch auf eine Geschwindigkeit eines Rotorblatts Bezug genommen werden. Aus dem Schallpegel kann eine Turbulenzintensität ermittelt werden. Zum Beispiel hat Vorderkantenlärm ein Schallspektrum, das diesen von anderen Lärm- bzw. Geräuschquellen unterscheidet. Vorderkantenlärm kann zum Beispiel eine Schallspektrum, das breiter ist als Ablösungsschall. Im Vergleich zu Hinterkantenlärm hat Vorderkantenlärm einen breiteren Schallpegel, wobei auch hier ein Unterscheid zu Ablösungslärm existiert. Die Schallquellen können anhand des Spektrums identifiziert werden. Gemäß optionalen Ausführungsformen, kann gegebenenfalls eine Einlernphase für unterschiedliche Profile angewendet werden, um die Schallquellen anhand der Spektren zu identifizieren. Basierend auf der Turbulenzintensität werden verbesserte bzw. optimierte Betriebsparameter für die Windenergieanlage bestimmt. Zum Beispiel können Sollwerte für die Schnelllaufzahl und/oder den Pitchwinkel bestimmt werden bzw. definiert werden. Die Sollwerte für den Betrieb werden eingestellt, um den Ertrag Windenergieanlage zu erhöhen.
Zum Beispiel können die Werte der verbesserten Betriebsparameter basierend auf einem lookup table ermittelt werden, der zum Beispiel Werte für optimale Pitchwinkel und schnelle Laufzahlen für unterschiedliche Turbulenzintensitäten enthält. Ein solcher lookup table kann zum Beispiel in einer Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt sein. Als Auswerteeinheit, kann auch eine Kontrolleinheit oder jedwede andere digitale Rechnereinheit einer Windenergieanlage angesehen werden. Zum Beispiel kann im Rahmen eines lookup tables zwischen dort zur Verfügung gestellten Werten interpoliert werden, um neue Sollwerte für Betriebsparameter zu bestimmen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, kann der Ertrag einer Windenergieanlage verbessert werden bzw. optimiert werden, Strömungsabriss kann vermieden werden, und/oder hohe Lasten können vermieden bzw. reduziert werden. Es werden hierzu Echtzeit Turbulenzintensitäts-Daten verwendet, denen ein Rotorblatt bzw. die Rotorblätter ausgesetzt sind.
Gemäß hier beschriebener Ausführungsformen wird ein Drucksensor, zum Beispiel ein faseroptischer Drucksensor, der angepasst ist einen Schallpegel zu messen an einem Rotorblatt zur Verfügung gestellt bzw. montiert. Zusätzlich oder alternativ kann ein Mikrophone verwendet werden. Die Turbulenzintensität kann unmittelbar am Rotorblatt bestimmt werden. Eine Anpassung der Betriebsparameter der Windturbine in Abhängigkeit der Turbulenzintensität ermöglicht es, den Ertrag zu erhöhen, ohne die Rotorblätter zusätzlichen Lasten, zum Beispiel aerodynamischen Lasten, auszusetzen. Es kann eine Echtzeitbestimmung der Turbulenzintensität erfolgen. Zum Beispiel kann die Turbulenzintensität mit einer Abtastrate von 1 Hz oder schneller zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage zur Verfügung gestellt. Ein entsprechendes Flussdiagramm ist in 7 dargestellt. Das Verfahren beinhaltet ein Messen einer Schallemission mittels eines am Rotorblatt angebrachten Drucksensors, wie zum Beispiel durch Box 702 illustriert. Wie in Box 704 dargestellt wird eine Turbulenzintensität basierend auf der Schallemission ermittelt. Hierzu kann auch die Geschwindigkeit des Rotors oder eines Rotorblatts hinzugezogen werden. Zum Beispiel kann hierfür die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors verwendet werden. Aus der Turbulenzintensität, die lokal und in Echtzeit bzw, quasi Echtzeit zur Verfügung gestellt werden kann, werden Betriebsparameter ermittelt, sie Box 706. Zum Beispiel werden ein oder mehrerer Sollwerte für zumindest einen der Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Schnelllaufzahl und eines Pitchwinkel bestimmt. Die Windenergieanlage wird basierend auf des einen oder der mehreren Sollwerte gesteuert (siehe Box 708).
Eine Echtzeitermittlung der Turbulenzintensität kann zum Beispiel eine Ermittlung mit einer Rate von 1 Hz oder schneller sein. Ein Messung des Schallpegels kann hierzu mit einer vielfach höheren Abtastrate erfolgen. Die Sollwerte für die Betriebsparameter, insbesondere Schnelllaufzahl und/oder Pitchwinkel, werden derart bestimmt, dass eine Erhöhung des Ertrags stattfindet. Eine Entsprechende Steuerung der Parameter kann zum Beispiel mit einer Rate von 0.1 Hz oder schneller erfolgen.
2A zeigt einen Teil einer Windenergieanlage 300. Auf einem Turm 40 ist eine Gondel 42 angeordnet. An einer Rotornabe 44 sind Rotorblätter 101 angeordnet, so dass der Rotor (mit der Rotornabe und den Rotorblättern) in einer durch die Linie 305 dargestellten Ebene rotiert. Typischerweise ist diese Ebene relativ zu der Senkrechten 307 geneigt. 2B zeigt eine Vorderansicht der Rotorblätter 101 und der Rotornabe 44 in Richtung der Rotationsachse, wobei die erste Achse 131', die aus der Papierebene herauszeigende zweite Achse 132' (dargestellt durch eingekreisten Punkt) und die dritte Achse 133' im blattfesten Koordinationssystem dargestellt sind.
3 zeigt schematisch einen faseroptischen Drucksensor 110 in einem Längsschnitt entlang einer Lichtleiterachse eines Lichtleiters 112, gemäß einer Ausführungsform. Ein faseroptischer Drucksensor kann zur Schallemissionsmessung zur Messung der Turbulenzintensität verwendet werden. Faseroptische Drucksensoren sind bevorzugt für Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen, Anordnungen zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem Rotor gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen, und Windenergieanlagen gemäß hier beschriebener Ausführungsformen.
Wie in 3 gezeigt, erstreckt sich der Lichtleiter 112 unterhalb eines Sensorkörpers 300. In dem Sensorkörper 300 ist eine Kavität 302 ausgebildet, welche mit einer Sensormembran 303 abgedeckt ist. Der Sensorkörper 300 ist in seiner Gesamtheit mit einer Abdeckung 304 versehen, derart, dass eine einstellbare Gesamt-Sensordicke 305 erreicht wird.
An einer longitudinalen Position unterhalb der Kavität 302 ist der äußere Schutzmantel des Lichtleiters 112 entfernt, so dass ein Lichtleitermantel 115 und/oder ein Lichtleiterkern 113 entlang der unteren Seite des Sensorkörpers 300 verlaufen.
An einem Ende oder in der Nähe des Endes des Lichtleiters 112 ist eine optische Umlenkeinheit 301 angebracht, welche dazu dient, aus dem Lichtleiter austretendes Licht um ungefähr 90° in Richtung auf den Sensorkörper 300, zum Beispiel um 60° bis 120°, und damit auf die Kavität 302 umzulenken. Das Ende des Lichtleiters 112 dient hierbei sowohl als Lichtaustrittsfläche zum Emittieren von Licht in Richtung zur optischen Umlenkeinheit 301 als auch als Lichteintrittsfläche zum Aufnehmen von Licht, welches aus der Kavität 302 zurück reflektiert wird.
Der beispielsweise als ein Substrat ausgebildete Sensorkörper 300 wird durchstrahlt, derart, dass Licht in die Kavität 302 eintreten und an der Sensormembran 303 reflektiert werden kann. Die Oberseite und die Unterseite der Kavität bilden somit einen optischen Resonator, wie beispielsweise einen Fabry-Perot-Resonator. Das Spektrum des in die optische Faser zurückgeworfenen Lichts zeigt ein Interferenzspektrum, insbesondere Interferenzmaxima bzw. Interferenzminima, deren Lage von der Größe des optischen Resonators abhängt. Durch eine Analyse der Lage der Maxima bzw. Minima im reflektierten Spektrum kann eine Veränderung der Resonator-Größe bzw. eine druckabhängige Auslenkung der Sensormembran 303 detektiert werden.
Um einen faseroptischen Drucksensor, wie er zum Beispiel in 3 dargestellt ist, zur Verfügung zu stellen, ist es von Vorteil, wenn der faseroptische Drucksensor in einem Querschnitt senkrecht zum Lichtleiter 112 in 3 eine geringe Abmessung 305 aufweist. Zum Beispiel kann eine maximale Abmessung 305 in einem Querschnitt senkrecht zur Achse des Lichtleiter 112 10 mm oder weniger betragen, und kann insbesondere 5 mm oder weniger betragen. Durch die Ausgestaltung, wie sie in Bezug auf 3 dargestellt ist, kann eine solche Dimensionierung einfach realisiert werden.
Zur Durchführung einer Druckmessung wird die Sensormembran 303 dem zu erfassenden Druck ausgesetzt. Abhängig vom anliegenden Druck wölbt sich die Membran, wodurch die Querschnittsabmessungen der Kavität 302 und damit des optischen Resonators kleiner werden. Durch die Druckmessung kann Schallemission, wie Sie zum Beispiel durch Turbulenzen entsteht, mit dem Drucksensor gemessen werden.
Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann der Sensor zur Messung von Luftschall verwendet werden. Der Sensor zur Messung von Luftschall kann z.B. an der Hinterkante eines Rotorblatts, angebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen der faseroptische Drucksensor 110 und/oder das Ende des Lichtleiters 112 mindestens eine optische Strahlformungskomponente auf, beispielsweise am Ende des Lichtleiterkerns 113, um den aus dem Lichtleiterkern 113 austretenden Lichtstrahl zu formen, beispielsweise um denselben aufzuweiten. Die optische Strahlformungskomponente weist mindestens eines der folgenden auf: eine Gradientenindex-Linse (GRIN-Linse), einen Mikrospiegel, ein Prisma, eine Kugellinse, und jedwede Kombination davon.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann die Umlenkeinheit 301 mit einem der folgenden integral ausgebildet sein: einer Gradientenindex-Linse (GRIN-Linse), einem Mikrospiegel, einem Prisma, einer Kugellinse, und jedweder Kombination davon.
Auf diese Weise wird ein faseroptischer Drucksensor 110 erhalten, welcher aufweist: einen Lichtleiter 112 mit einem Ende, eine mit dem Ende des Lichtleiters 112 verbundene optische Umlenkeinheit 301 und den Sensorkörper 300, an welchem mittels der Sensormembran 303 ein optischer Resonator 302 ausgebildet ist, wobei der Lichtleiter 112 und/oder die Umlenkeinheit 301 an dem Sensorkörper 300 mittels eines aushärtbaren Klebers oder einer Lötverbindung angebracht sind. Gemäß einer Ausführungsform kann der aushärtbare Kleber als ein mittels UV-Licht aushärtbarer Kleber bereitgestellt sein.
Gemäß Ausführungsformen, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, kann der optische Resonator 302 als ein Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet sein, das eine Kavität mit der mindestens einen Sensormembran 303 bildet. Auf diese Weise kann eine hohe Auflösung bei der Erfassung einer druckabhängigen Auslenkung der Sensormembran 303 erreicht werden.
Gemäß Ausführungsformen, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, kann der optische Resonator 302 eine Kavität bilden, welche luftdicht zur Umgebung abgeschlossen ist und einen vorbestimmten Innendruck aufweist. Auf diese Weise wird die Möglichkeit bereitgestellt, eine auf den Innendruck bezogene Referenzmessung auszuführen. Für die Messung eines Schalldruckpegels ist die Membran ausgestaltet um bei einem entsprechenden Schalldruck eine Bewegung, insbesondere eine oszillierende Bewegung auszuführen, die über den optischen Resonator in ein optisches Signal übertragen wird.
Gemäß weiteren Ausführungsformen, welche mit hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, kann der optische Resonator 302 eine Kavität bilden, welche luftdicht zur Umgebung abgeschlossen ist und evakuiert ist.
Mit einem derartigen faseroptischen Drucksensor 110 ist es möglich, eine optische Druckmessung mittels des Erfassen eines aus dem optischen Resonators ausgegebenen optischen Interferenzspektrums, und Auswerten des Interferenzspektrums zur Bestimmung des zu messenden Drucks. Bei einem Auswerten kann die Phasenlage des Interferenzspektrums ausgewertet werden. Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein sinusförmiges Interferenzspektrum über ein Kantenfilter zur Auswertung herangezogen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, welches mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, kann das Spektrum derart gewählt werden, dass einige Perioden des Interferenzspektrums von der Lichtquelle abgedeckt werden. Mit anderen Worten ist es in typischer Weise möglich, eine Interferenzperiode von 20 nm bereitzustellen, während die Lichtquellenbreite 50 nm beträgt. Aufgrund der spektralen Auswertung kann die Kohärenzlänge der einfallenden Strahlung hier gegebenenfalls nicht berücksichtigt werden.
4A zeigt schematisch einen faseroptischen Drucksensor oder Drucksensor 910 mit einem optischen Resonator 930. Das Prinzip eines faseroptischen Drucksensors 910 beruht auf einer ähnlichen Wirkung wie jener des faseroptischen Drucksensors, d.h. eine Auslenkung einer Membran ändert die Länge eines Resonators. Gemäß einigen Ausführungsformen von Druck- und/oder Drucksensoren, wie in 4A exemplarisch anhand eines Drucksensors mit einer Masse 922 dargestellt, kann der optische Resonator 930 auch in einem Bereich zwischen der Austrittsfläche des Lichtleiters 112 und einer Reflexionsfläche einer Membran 914 gebildet werden. Um die Auslenkung der Membran 914 bei einer vorgegebenen Beschleunigung zu verstärken, kann gemäß manchen Ausführungsformen, welche mit hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, auf der Membran eine Zusatzmasse 922 angebracht sein.
Gemäß Ausführungsformen, welche mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, kann der faseroptische Sensor 910 zum Messen von Schall und/oder einer Beschleunigung in einer Richtung ungefähr senkrecht zur Oberfläche des optischen Resonators herangezogen werden. Hierbei kann der faseroptische Sensor 910 als ein Drucksensor wie folgt zur Verfügung gestellt werden. Der faseroptische Sensor 910 beinhaltet einen Lichtleiter 112 bzw. eine optische Faser mit einer Lichtaustrittsfläche. Ferner beinhaltet der faseroptische Sensor 910 eine Membran 914 und eine mit der Membran 303 in Verbindung stehende Masse 922. Hierbei kann die Masse 922 entweder zusätzlich zur Masse der Membran zur Verfügung gestellt werden oder die Membran kann mit einer geeigneten ausreichend großen Masse ausgestaltet sein. Der so bereitgestellte faseroptische Drucksensor 910 beinhaltet einen optischen Resonator 930, der zwischen der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 112 und der Membran 914 entlang einer Erstreckung 901, 903 ausgebildet ist. Zum Beispiel kann der Resonator ein Fabry-Perot-Resonator sein. Ferner beinhaltet der faseroptische Drucksensor 910 eine optische Umlenkeinheit 916, die im Strahlengang zwischen der Lichtaustrittsfläche und der Membran 914 zur Verfügung gestellt ist, wobei die optische Umlenkeinheit 916 als ein Prisma oder ein Spiegel in einem Winkel von 30° bis 60° relativ zu einer optischen Achse des Lichtleiter bzw. der optischen Faser angeordnet sein kann. Zum Beispiel kann der Spiegel in einem Winkel von 45° ausgebildet sein. Das primäre optische Signal wird wie durch den Pfeil 901 angedeutet durch den Spiegel 916 umgelenkt und auf die Membran 914 gerichtet. An der Membran 914 findet eine Reflexion des primären optischen Signals statt. Das reflektierte Licht wird wie durch den Pfeil 903 dargestellt zurück in die optische Faser bzw. den Lichtleiter 112 gekoppelt. Somit wird zwischen der Lichtaustrittsfläche für den Austritt des primären optischen Signals und der Membran 914 der optische Resonator 930 ausgebildet. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass im Allgemeinen die Lichtaustrittsfläche des primären optischen Signals gleich der Lichteintrittsfläche für das reflektierte sekundäre Signal ist. Der optische Resonator 930 kann somit als Fabry-Perot-Resonator ausgebildet sein.
Die in den 4A und 4B dargestellten Komponenten eines extrinsischen faseroptischen Drucksensors 910 können gemäß beispielhaften Ausführungsformen aus folgenden Materialien bestehen. Der Lichtleiter 112 kann zum Beispiel eine Glasfaser, eine optische Faser oder ein Lichtwellenleiter sein, wobei Materialien wie optische Polymere, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Quarzglas, Ethylen- Tetrafluorethylen verwendet werden können, die gegebenenfalls dotiert sind. Das Substrat 912 bzw. der darin ausgestaltete Spiegel 916 kann zum Beispiel aus Silizium bestehen. Die Membran kann aus einem Kunststoff oder einem Halbleiter zur Verfügung gestellt werden, der geeignet ist, als dünne Membran ausgebildet zu werden.
Insbesondere bei einer Verringerung bzw. einem Entfallen der Masse 922 kann die Membran 914 sowohl zur Messung eines statischen Drucks verwendet werden als auch zur Messung eines Schalldruckpegels. Für die Messung eines statischen Drucks ist der Bereich des optischen Resonators 930 vom Umgebungsdruck getrennt, so dass bei einer Änderung des Umgebungsdrucks eine Bewegung der Membran stattfindet. Für die Messung eines Schalldruckpegels ist die Membran derart ausgelegt, um bei einem entsprechenden Schalldruck eine Bewegung, insbesondere eine oszillierende Bewegung auszuführen, die über den optischen Resonator 930 in ein optisches Signal übertragen wird.
5 zeigt ein typisches Messsystem zur faseroptischen Druckmessung gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das System enthält einen oder mehrere Drucksensoren 110. Das System weist eine Quelle 602 für elektromagnetische Strahlung, zum Beispiel eine Primärlichtquelle, auf. Die Quelle 602 dient zur Bereitstellung von optischer Strahlung, mit welcher mindestens ein faseroptischer Drucksensor 110 bestrahlt werden kann. Zu diesem Zweck ist eine optische Übertragungsfaser bzw. ein Lichtleiter 603 zwischen der Primärlichtquelle 602 und einem ersten Faserkoppler 604 bereitgestellt. Der Faserkoppler 604 koppelt das Primärlicht in die optische Faser bzw. den Lichtleiter 112 ein. Die Quelle 602 kann zum Beispiel eine Breitbandlichtquelle, einen Laser, eine LED (light emitting diode), eine SLD (Superlumineszenzdiode), eine ASE-Lichtquelle (Amplified Spontaneous Emission-Lichtquelle) oder ein SOA (Semiconductor Optical Amplifier) sein. Es können für hier beschriebene Ausführungsformen auch mehrere Quellen gleichen oder unterschiedlichen Typs (s.o.) verwendet werden.
Das Sensorelement, wie zum Beispiel ein optischer Resonator 302, ist an die Sensorfaser 112 optisch angekoppelt. Das von den faseroptischen Drucksensoren 110 zurückgeworfene Licht wird wiederum über den Faserkoppler 604 geleitet, welcher das Licht über die Übertragungsfaser 605 in einen Strahlteiler 606 leitet. Der Strahlteiler 606 teilt das zurückgeworfene Licht auf zur Detektion mittels eines ersten Detektors 607 und eines zweiten Detektors 608. Hierbei wird das auf dem zweiten Detektor 608 detektierte Signal zunächst mit einer optischen Filtereinrichtung 609 gefiltert. Durch die Filtereinrichtung 609 kann eine Position eines aus dem optischen Resonator 302 ausgegebenen Interferenzmaximums oder -minimums bzw. eine Wellenlängenänderung durch den optischen Resonator detektiert werden.
Im Allgemeinen kann ein Messsystem, wie es in 5 dargestellt ist, ohne den Strahlteiler 606 bzw. den Detektor 607 zur Verfügung gestellt sein. Der Detektor 607 ermöglicht jedoch eine Normierung des Messsignals des Drucksensors in Bezug auf anderweitige Intensitätsfluktuationen, wie zum Beispiel Schwankungen der Intensität der Quelle 602, Schwankungen durch Reflexionen an Schnittstellen zwischen einzelnen Lichtleitern, Schwankungen durch Reflexionen an Schnittstellen zwischen dem Lichtleiter 112 und der Umlenkeinheit 301, Schwankungen durch Reflexionen an Schnittstellen zwischen der Umlenkeinheit 301 und dem optischen Resonator 302 oder andere Intensitätsschwankungen. Diese Normierung verbessert die Messgenauigkeit und reduziert beim Betrieb des Messsystems eine Abhängigkeit von der Länge der zwischen der Auswerteeinheit 150 und dem faseroptischen Drucksensor 110 zur Verfügung gestellten Lichtleiter 112.
Die optische Filtereinrichtung 609 bzw. zusätzliche optische Filtereinrichtungen zur Filterung des Interferenzspektrums bzw. zur Detektion von Interferenzmaxima und -minima können einen optischen Filter beinhalten, der gewählt ist aus der Gruppe, welche besteht aus einem Kantenfilter, einem Dünnschichtfilter, einem Faser-Bragg-Gitter, einem LPG, einem Arrayed-Waveguide-Grating (AWG), einem Echelle-Gitter, einer Gitteranordnung, einem Prisma, einem Interferometer, und jedweder Kombination davon.
6 zeigt eine Auswerteeinheit 150, wobei ein Signal eines faseroptischen Drucksensors 110 über einen Lichtleiter 112 zur Auswerteeinheit 150 geführt wird. In 6 ist weiterhin eine Lichtquelle 602 dargestellt, die optional in der Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt werden kann. Die Lichtquelle 602 kann aber auch unabhängig bzw. außerhalb von der Auswerteeinheit 150 zur Verfügung gestellt sein. Das optische Signal des faseroptischen Drucksensors 110, d.h. das optische Interferenzsignal, welches Interferenzmaxima und Interferenzminima aufweisen kann, wird mit einem Detektor, d.h. mit einem opto-elektrischen Wandler 702 in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal wird mit einem analogen Anti-Aliasing-Filter 703 gefiltert. Im Anschluss an die analoge Filterung mit dem analogen Anti-Aliasing-Filter bzw. Tiefpassfilter 703 wird das Signal durch einen Analog-Digital-Wandler 704 digitalisiert.
Gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die Auswerteeinheit 150 derart ausgelegt sein, dass diese das Interferenzsignal nicht nur hinsichtlich der Lage von Interferenzmaxima und Interferenzminima analysiert, sondern dass ferner eine Bestimmung der Phasenlage des Interferenzsignals erfolgt.
Gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, ermöglicht es die Auswerteeinheit 150, einen Umgebungsdruck des optischen Resonators 302, welcher auf die Sensormembran 303 einwirkt, auf Grundlage des optischen Interferenzsignals zu ermitteln. Der Anti-Aliasing-Filter kann eine Grenzfrequenz von 1 kHz oder kleiner insbesondere von 500 Hz oder kleiner, weiterhin insbesondere von 100 Hz oder kleiner aufweisen. Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen findet eine solche Filterung vor der Digitalisierung statt. Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen findet eine analoge Tiefpassfilterung vor einer Digitalisierung eines Signals eines faseroptischen Drucksensors 110 statt. Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann der Tiefpassfilter auch als ein analoger anti-aliasing Filter bezeichnet werden. Hierbei wird im Rahmen eines Abtasttheorems die Nyquist-Frequenz berücksichtigt, und eine Tiefpassfilterung mit Signalanteilen kleiner der Nyquist-Frequenz mittels des analogen Tiefpass-Filters bzw. analogen anti-aliasing Filters zur Verfügung gestellt. Durch die hier beschriebenen Ausführungsformen mit einem faseroptischen Drucksensor 110 und einer analogen Tiefpassfilterung kann eine verbesserte Messung einer Druckvariation zur Verfügung gestellt werden. 6 zeigt ferner eine digitale Auswerteeinheit 706, die zum Beispiel eine CPU, Speicher und andere Elemente zur digitalen Datenverarbeitung beinhalten kann.
Wie in Bezug auf 6 erläutert, kann ein Verfahren zur Druckerfassung mittels eines faseroptischen Drucksensors verbessert werden. Zum Beispiel ist eine Auswerteeinheit 150 zur Verfügung gestellt. Die Auswerteeinheit 150 kann einen Wandler zum Wandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal beinhalten. Zum Beispiel kann eine Fotodiode, ein Photomultiplier (PM) oder ein anderer optoelektronischer Detektor als Wandler verwendet werden. Die Auswerteeinheit 150 beinhaltet ferner einen Anti-Aliasing-Filter 703, der zum Beispiel mit dem Ausgang des Wandlers bzw. des opto-elektronischen Detektors verbunden ist. Die Auswerteeinheit 150 kann ferner einen Analog-digital-Wandler 704 beinhalten, der mit dem Ausgang des Anti-Aliasing-Filters 703 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 150 kann darüber hinaus eine digitale Auswerteeinheit 706 beinhalten, die zur Auswertung der digitalisierten Signale eingerichtet ist.
Gemäß noch weiteren Ausführungsformen, die mit hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann eine Temperaturkompensation in dem faseroptischen Drucksensor 110 derart bereitgestellt werden, dass für den Sensorkörper 300 und/oder die Sensormembran 303 und/oder die Abdeckung 304 Materialien mit einem sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.
Gemäß Ausführungsformen kann der Lichtleiter 112 zum Beispiel eine Glasfaser, eine optische Faser oder ein Polymerleiter sein, wobei Materialien wie optische Polymere, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Quarzglas, Ethylen-Tetrafluorethylen verwendet werden können, die gegebenenfalls dotiert sind. Insbesondere kann die optische Faser als Singlemode-Faser, zum Beispiel eine SMF-28 Faser ausgebildet sein. Hierbei bezeichnet der Ausdruck „SMF-Faser“ einen speziellen Typ einer Standard-Singlemode-Faser.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in einen Speicher, zum Beispiel einen digitalen Speicher einer digitalen Rechenvorrichtung geladen werden kann. Eine Rechenvorrichtung kann neben eines oder mehrerer Speicher, eine CPU, Signaleingänge und Signalausgänge, sowie weitere für eine Rechenvorrichtung typische Elemente enthalten. Eine Rechenvorrichtung kann Teil einer Auswerteeinheit sein, oder die Auswerteeinheit kann Teil einer Rechenvorrichtung sein. Ein Computerprogramprodukt kann Softwarecodeabschnitte umfassen, mit denen die Schritte der Verfahren der hier beschriebenen Ausführungsformen zumindest teilweise ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Rechenvorrichtung läuft. Dabei können jegliche Ausführungsformen des Verfahrens durch ein Computerprogrammprodukt ausgeführt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand typischer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage, umfassend: Messen einer Schallemission mittels eines am Rotorblatt angebrachten Drucksensors oder eines Mikrophons; Ermitteln einer Turbulenzintensität basierend auf der Schallemission; Bestimmen eines oder mehrerer Sollwerte für zumindest einen der Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Schnelllaufzahl und eines Pitchwinkels; und Steuerung der Windenergieanlage basierend auf dem einen oder den mehreren Sollwerten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Turbulenzintensität mit einer Rate von zumindest 1 Hz ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der eine oder die mehreren Sollwerte zu einem Ertrag führen, der höher ist als ein Ist-Ertrag.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Drucksensor oder das Mikrophon an der Hinterkante eines Rotorblatts zur Verfügung gestellt ist, insbesondere wobei mehrere Drucksensoren oder Mikrophone zur Verfügung gestellt sind, und zumindest ein Drucksensor oder zumindest ein Mikrophone an der Hinterkante jedes Rotorblatts zur Verfügung gestellt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Turbulenzintensität in einer Auswerteeinheit ermittelt wird und die Geschwindigkeit des Rotors oder des Rotorblatts als Eingangsgröße für die Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt ist, insbesondere wobei die Rotorumdrehungsgeschwindigkeit als Eingangsgröße für die Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der eine oder die mehreren Sollwerte mittels eines Lookup-Tables bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der eine oder die mehreren Sollwerte mittels Interpolation ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zumindest eine Drucksensor ein faseroptischer Sensor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Ermitteln einer Turbulenzintensität, das Bestimmen eines oder mehrerer Sollwerte und das Steuerung der Windenergieanlage wiederholt wird, um eine Regelung zu erzeugen.
Anordnung zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem Rotor, umfassend: zumindest einer an einem Rotorblatt angebrachter Drucksensor oder zumindest ein an einem Rotorblatt angebrachtes Mikrophone; und eine Auswerteeinheit zum Ermitteln einer Turbulenzintensität basierend auf einer von dem zumindest einem Drucksensor oder dem Mikrophone gemessenen und zum Bestimmen eines oder mehrerer Sollwerte für zumindest einen der Parameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Schnelllaufzahl und eines Pitchwinkels.
Anordnung gemäß Anspruch 10, weiterhin umfassend: ein Computerprogrammprodukt, das in einen Speicher einer digitalen Rechenvorrichtung, geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Rechenvorrichtung läuft.
Windenergieanlage mit der Anordnung nach Anspruch 10 bis 11.