DE102018127801A1

DE102018127801A1 - Verbesserung bzw. Optimierung des Ertrags einer Windenergieanlage durch aerodynamische Anpassung bei einem Strömungsabriss

Info

Publication number: DE102018127801A1
Application number: DE102018127801.2A
Authority: DE
Inventors: Manuel Mai; Markus Schmid
Original assignee: fos4X GmbH
Current assignee: fos4X GmbH
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-07

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung einer Windenergieanlage mit zumindest einem Rotorblatt wird beschrieben. Das Verfahren beinhaltet ein Erkennen eines Strömungsabrisses oder der Möglichkeit des Strömungsabrisses, insbesondere basierend auf einer Schallemission; und ein Steuern oder Regeln einer Form eines aerodynamischen Profils des zumindest einen Rotorblatts an zumindest einer radialen Position des Rotorblatts basierend auf dem Erkennen des Strömungsabrisses oder der Möglichkeit des Strömungsabrisses.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Steuerung bzw. Regelung von Windenergieanlagen, insbesondere eine Messung für eine Verbesserung des Ertrags von Windenergieanlagen. Insbesondere betreffen Ausführungsformen Messungen zum verbesserten Betrieb von Rotorblättern mit variablem Profil, zum Beispiel im Hinblick auf einen Strömungsabriss. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage und eine Windenergieanlage.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Windenergieanlagen haben einen zunehmend größeren Rotordurchmesser. Dies bringt insbesondere bei deren Konstruktion große Herausforderungen im Hinblick auf die Auslegung optimaler Betriebsparameter mit sich.
Rotorblätter werden, zum Beispiel abhängig von der Windgeschwindigkeit und/oder der Geschwindigkeit des Rotors gepitcht, bzw. nachgeführt. Der Pitchwinkel wird für ein Rotorblatt eingestellt. Hierbei wird ein Optimum typischerweise an einem einzigen Radius erzielt. D. h., der Pitchwinkel kann nur so eingestellt werden, dass das Rotorblatt an einem einzigen Radius ideal zum Wind ausgerichtet ist. Typischerweise wird dieser Punkt im mittleren Bereich zwischen Wurzel des Rotorblatts und Rotorblattspitze zur Verfügung gestellt. Ein Pitchwinkelfehler, d. h. eine Abweichung vom optimalen Pitchwinkel, nimmt somit in Richtung der Spitze des Rotorblatts bzw. in Richtung der Wurzel des Rotorblatts zu. Ein Verwinden bzw. eine Torsion des Rotorblatts, zum Beispiel bei Windböen, kann einen Pitchwinkelfehler weiter vergrößern.
Es kann hieraus einen Strömungsabriss resultieren. Insbesondere kann in bestimmten Betriebsmodi ein Pitchwinkelfehler zu einem Strömungsabriss führen. Dies führt zu einem Ertragsverlust. Ein solcher durch Pitchwinkelfehler erzeugter Ertragsverlust nimmt mit der Größe der Rotorblätter zu, da die Wahrscheinlichkeit für einen Strömungsabriss erhöht ist. Die Auftriebskraft kann lediglich durch die Pitchverstellung beeinflusst werden. Unter, bzw. über einer Grenze für die Windgeschwindigkeit (definiert durch die Grenzen der Pitchverstellung) kann die Windenergieanlage nicht betrieben werden.
Zum Beispiel zeigt Druckschrift US 7,293,959 ein Rotorblatt einer Windturbine mit einer verstellbaren Auftriebsregulierungseinrichtung, die auf oder an der Oberfläche des Windturbine Blatts angeordnet ist. Aktivierungseinrichtungen können die Auftriebsregulierungseinrichtungen verstellen und dadurch die aerodynamischen Eigenschaften des Blattes verändern. Die Auftriebsregulierungseinrichtungen werden als flexible Klappen zur Verfügung gestellt. Weiterhin zeigt Druckschrift US 8,157,533 ein Rotorblatt, welches ein aktives elastisches Element umfasst, dass mit Zugang zu der Oberfläche des Rotorblatts angeordnet ist, wobei das aktive elastische Element von einer ersten Form in eine zweite Form deformierbar ist, um einen Auftriebswert zu vergrößern und die Wölbungslinie relativ zur Profilsehne verschoben wird, wobei das aktive elastische Element auf der Überdruckseite des Rotorblatts zur Verfügung gestellt ist.
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 16 zur 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 bzw. Regelung einer Windenergieanlage mit zumindest einem Rotorblatt zur Verfügung gestellt. Das Verfahren beinhaltet ein Erkennen eines Strömungsabrisses oder der Möglichkeit des Strömungsabrisses, insbesondere basierend auf einer Schallemission; und ein Steuern oder Regeln einer Form eines aerodynamischen Profils des zumindest einen Rotorblatts an zumindest einer radialen Position des Rotorblatts basierend auf dem Erkennen des Strömungsabrisses oder der Möglichkeit des Strömungsabrisses.
Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem Rotorblatt zur Verfügung gestellt. Die Anordnung beinhaltet zumindest ein an dem Rotorblatt angebrachter Drucksensor; ein oder mehrere elastischen Elemente, die basierend auf einem Gasdruck oder einem Fluiddruck, das aerodynamische Profil des Rotorblatts verändern; und eine Auswerteeinheit zum Erkennen eines charakteristischen aeroakustischen Geräuschs für zumindest einen Strömungsabriss basierend auf einer mittels des Drucksensors gemessenen Schallemission und zum Steuern oder Regeln des einen oder der mehreren elastischen Elemente.
Gemäß einem Aspekt wird eine Windenergieanlage mit der Anordnung gemäß der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung gestellt.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1A und 1B zeigen schematische einen Querschnitt eines Rotorblatts mit einer Anordnung zur Steuerung einer Windenergieanlage gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt schematisch ein Rotorblatt mit einer Anordnung bzw. eine Messvorrichtung angepasst zur Verbesserung des Ertrags hinsichtlich der Erkennung eines Strömungsabrisses an einer Windenergieanlage gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen;
3 zeigt eine Windenergieanlage gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen,
4 zeigt schematisch einen faseroptischen Drucksensor mit einer Kavität in einem Längsschnitt entlang einer Lichtleiterachse, 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 Steuerung bzw. Regelung einer Windenergieanlage gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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 zumindest ein elastisches Element, zum Beispiel ein Luftkissen, dass in einem Rotorblatt oder an einem Rotorblatt zur Verfügung gestellt werden kann. Zum Beispiel kann ein Luftkissen in einem Rotorblatt integriert werden. Ein Füllen bzw. Leeren des elastischen Elements, zum Beispiel des Luftkissen, bewirkt eine Änderung des Profils des Rotorblatts und somit eine Änderung des aerodynamischen Verhaltens.
Gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können elastischen Elemente in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Windenergieanlage eingestellt werden. Zum Beispiel können die elastischen Elemente in Abhängigkeit der Rotordrehzahl und/oder des Pitchwinkels eingestellt werden. Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können die elastischen Elemente alternative oder zusätzlich in Abhängigkeit von Umgebungsparametern eingestellt werden. Zum Beispiel können die elastischen Elemente in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit oder der Windrichtung eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich könnte elastischen Elemente durch Strömungsüberwachung, zum Beispiel mittels Drucksensoren, geregelt werden.
Insbesondere kann gemäß hier vorliegender Ausführungsformen ein Verfahren bzw. eine Anordnung zur Steuerung einer Windenergieanlage mit zumindest einem Rotorblatt zur Verfügung gestellt werden. Es wird ein Strömungsabriss erkannt, zum Beispiel insbesondere basierend auf einer Schallemission. Ferner wird eine Änderung eines aerodynamischen Profils des Rotorblatts an zumindest einer radialen Position des Rotorblatts gesteuert oder geregelt. Zum Beispiel wird die Änderung des aerodynamischen Profils basierend auf der Erkennung des Strömungsabrisses geregelt bzw. gesteuert.
1A und 1B zeigen an den Querschnitt eines Rotorblatts 101. Im Querschnitt des Rotorblatts ist das aerodynamische Profil des Rotorblatts dargestellt. Von der Vorderkante des Rotorblatts zur Hinterkante des Rotorblatts erstreckt sich eine Überdruckseite unterhalb des Rotorblatts 101 und eine Unterdruckseite oberhalb des Rotorblatts 101. 1A zeigt ein elastisches Element 150 in einem Zustand, in dem das elastische Element, zum Beispiel ein Luftkissen, aufgeblasen ist. Das elastische Element kann mit einem im Vergleich zu 1B höheren Druck mit einem Gas oder einem anderen Fluid befüllt sein. Somit ändert sich in 1A relativ zur 1B das Profil des Rotorblatts 101.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann weiterhin ein Drucksensoren 120 an dem Rotorblatt 101 zur Verfügung gestellt sein. Insbesondere kann der Drucksensor an einer Hinterkante (alternativ an der Annahmevorderkante) des Rotorblatts zur Verfügung gestellt sein und, zum Beispiel, oberflächenbündig oder planparallel zur Oberfläche des Rotorblatts angeordnet sein. Der Drucksensor 120 kann gemäß einigen der vorliegenden Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, ein faseroptischer Drucksensor sein. Der Drucksensor kann einen Schallpegel messen, insbesondere als Spektrum, d. h. frequenzabhängig.
Durch die Messung des aeroakustischen Geräusches kann in einer Auswerteeinheit 250 ein oder mehrere charakteristische Geräusche, bzw. charakteristische Lärm unterschiedlicher Gruppen, erkannt werden. Basierend auf der Erkennung, kann zum Beispiel ermittelt werden, ob ein Strömungsabriss an einem Rotorblatt oder in einem Bereich eines Rotorblatts vorliegt. Die Auswerteeinheit 250 kann eine Änderung des elastischen Elements 150 steuern bzw. regeln, um einen Strömungsabriss entgegenzuwirken oder diesen zu verhindern. Durch die Veränderung des Profils des Rotorblatts können die Eigenschaften des Rotorblatts an einer oder mehreren radialen Positionen verändert werden. Zum Beispiel können mehrere elastischen Elemente, zum Beispiel Luftkissen, entlang der radialen Ausdehnung des Rotorblatts zur Verfügung gestellt sein. Die elastischen Elemente können großflächige Luftkissen sein, zum Beispiel mit einer Ausdehnung von zumindest 1 m². Alternativ oder zusätzlich können großflächig angeordnete Luftkissen in Summe zumindest 30 % des Radius des Rotorblatts verändern.
1A und 1B zeigen ein elastisches Element, das innerhalb des Rotorblatts 101 an einer Unterdruckseite angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein elastisches Element an einer Überdruckseite eines Rotorblatts angeordnet sein. Ein innerhalb des Rotorblatts angeordnetes elastisches Element kann die Oberfläche des Rotorblatts bei einer Veränderung des elastischen Elements verformen. Zusätzlich oder alternativ können elastische Elemente, wie zum Beispiel Luftkissen, an der Außenseite eines Rotorblatts angebracht sein bzw. in einer Aussparung des Rotorblatts zur Verfügung gestellt sein. Somit kann gemäß manchen Ausführungsformen ein elastisches Element 150 unmittelbar die Außenseite eines Rotorblatts ausbilden.
Für Ausführungsformen bei der eine Messung von Luftschall, insbesondere mit faseroptischen Drucksensoren, zur Verfügung gestellt wird, kann der Luftschall in einem Frequenzband, zum Beispiel einem breiten Frequenzband gemessen werden. Die Geräusche bzw. der Lärm, d. h. der gemessene Luftschall, kann analysiert werden und in unterschiedliche Kategorien unterteilt werden bzw. klassifiziert werden. Insbesondere kann ein Geräusch für den Strömungsabriss identifiziert werden. Der einem Strömungsabriss zugeordnete Luftschall kann verwendet werden, um das aerodynamische Profil eines Rotorblatts zu ändern, insbesondere in dem elastische Elemente mit einem Gas oder einem anderen Fluid befüllt werden oder ein Gas aus elastischen Elementen entweichen kann.
Zusätzlich oder alternativ können basierend auf der Erkennung eines Strömungsabrisses Vortexgeneratoren bewegt werden oder verändert werden. Insbesondere können Vortexgeneratoren an einem inneren Teil eines Rotorblattes bewegt werden oder ausgefahren werden. Weiterhin können Vortexgeneratoren verändert werden, so dass durch die Veränderung ein aktiver Zustand und ein passiver Zustand zur Verfügung gestellt werden können. Eine Veränderung eines Vortexgenerators in einen aktiven Zustand führt zu einer aerodynamischen Wirkung während eine Veränderung einen passiven Zustand, die aerodynamische Wirkung reduziert oder unterbindet. Dies reduziert die Last an äußeren Teilen des Rotorblatts und verhindert einen Strömungsabriss bzw. das Geräusch des Strömungsabrisses. Da die volle Leistungsfähigkeit des Rotorblatts an seinem inneren Teil zur Verfügung gestellt ist, erhöht sich der Ertrag der Windenergieanlage. Weiterhin können gemäß mancher Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, Vortexgeneratoren periodisch bewegt werden oder verändert werden. Zusätzliche oder alternative kann das Rotorblattprofil periodisch oder verändert werden
2 zeigt die Anordnung 100 zur Steuerung einer Windenergieanlage. Diese kann teilweise in einem Rotorblatt 101 zur Verfügung gestellt sein.. Die Anordnung 100 umfasst eine Auswerteeinheit 250. Die Auswerteeinheit 250 ist mit zumindest einem ersten Drucksensor 120 verbunden. Der zumindest eine Drucksensor 120, wie zum Beispiel ein faseroptischer Drucksensor, kann beispielsweise über Signalleitungen, wie in etwa elektrische Leitungen, faseroptische Leitungen etc. mit der Auswerteeinheit 250 verbunden sein.
Gemäß manchen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können ein oder mehrere faseroptischer Drucksensoren in einem Bereich entlang des Radius des Rotorblatts 101 zur Verfügung gestellt sein. Es können ein oder mehrere radial angeordnete Bereiche an einem Rotorblatt existieren.. Gemäß typischen Ausführungsformen können Drucksensoren 120 an der Hinterkante des Rotorblatts 120 zur Verfügung gestellt sein. Die Bewegungsrichtung des Rotorblatts am Rotor ist exemplarisch mit Pfeil 104 dargestellt.
Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen sind an bzw. in einem Rotorblatt elastische Elemente 150 zur Verfügung gestellt. Exemplarisch sind in 2 zwei elastische Elemente 150 zur Verfügung gestellt. Diese können entlang unterschiedlicher radialer Position des Rotorblatts 101 zur Verfügung gestellt sein. Durch die Veränderung der elastischen Elemente, zum Beispiel durch eine Befüllung mit einem Gas, wie zum Beispiel Luft, kann das aerodynamische Profil des Rotorblatts verändert werden. Zum Beispiel kann das aerodynamische Profil an zwei oder mehr radialen Positionen des Rotorblatts in unterschiedlicher Weise verändert werden. Die elastischen Elemente können zum Beispiel durch ein Luftkissen zur Verfügung gestellt werden. Durch eine Befüllung bzw. Entleerung des Luftkissen kann eine Veränderung des aerodynamischen Profils des Rotorblatts zur Verfügung gestellt werden.
Weiterhin können an bzw. in einem Rotorblatt Vortexgeneratoren 160 zur Verfügung gestellt. Wie durch die Pfeile 162 dargestellt, kann ein Vortexgenerator mit einem Aktuator bewegt werden. Alternativ oder zusätzliche kann der Vortexgenerator verändert werden, insbesondere um von einem passiven in einen aktiven Zustand oder von einem aktiven Zustand in einen passiven Zustand zu gelangen. Vortexgeneratoren können durch speziell geformte Luftkissen bzw. durch speziell geformte elastische Elemente zur Verfügung gestellt werden. Ein veränderlicher Vortextgenerator kann einen aktiven oder einen passiven Zustand einnehmen.
Gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können mehrere Vortexgeneratoren entlang einer Längsachse des Rotorblatts zur Verfügung gestellt sein. Ferner, zusätzlich oder alternativ können mehrere Drucksensoren entlang der Längsachse des Rotorblatts zur Verfügung gestellt sein, insbesondere wobei die Vortexgeneratoren in Bereichen, die entlang der Längsachse des Rotorblatts definiert sind individuell angesteuert werden können.
Ein Vortexgenerator kann zurückgezogen werden oder ausgefahren werden. Im zurückgezogenen Zustand kann der Luftwiderstand des Vortexgenerators reduziert sein, insbesondere im Vergleich zum ausgefahrenen Zustand. Zum Beispiel kann gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ein Vortexgenerator bewegt werden bzw. eingezogen werden (oder verändert werden), um im Wesentlichen plan oder oberflächenbündig mit einer Oberfläche des Rotorblatts 101 angeordnet zu sein.
Die Auswerteeinheit 250 kann den mittels der faseroptischen Drucksensoren gemessenen Luftschall analysieren. Ein Geräusch, das einem Strömungsabriss zugeordnet werden kann, wird detektiert. Bei der Bestimmung eines Strömungsabriss, kann die Auswerteeinheit 250 das aerodynamische Profil des Rotorblatts 101 anpassen und/oder die Aktuatoren bzw. einen Aktuator zum Bewegen oder Verändern eines Vortexgenerators, zum Beispiel eines als Vortexgenerators ausgebildeten elastischen Elements, ansteuern.
In 2 hat die Längsachse 103 des Rotorblatts 101 ein dazu ausgerichtetes Koordinatensystem, das heißt ein blattfestes Koordinatensystem, das in 2 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..
Das Rotorblatt 101 aus 2 ist mit der Anordnung 100 ausgestattet. Ein oder mehrere Drucksensoren 120 sind in einem oder mehreren Bereichen 125 angebracht. Zum Beispiel können Drucksensoren 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.
Mittels der Drucksensoren kann der emittierte Schallpegel erfasst werden. Insbesondere kann der Schallpegel frequenzabhängig bestimmt werden. Insbesondere kann der Schallpegel frequenzabhängig in einem breiten Frequenzband, zum Beispiel von 10 Hz bis 30 kHz, insbesondere von 50 Hz bis 500 Hz gemessen werden. Zum Beispiel können Drucksensoren an einer Hinterkante eines Rotorblatts zur Verfügung gestellt sein.
Der Schallpegel bzw. das Geräusch kann analysiert werden. Unterschiedliche Ursachen von Schall können bei einer Windenergieanlage anhand charakteristischen Eigenschaften unterschieden werden. Somit kann durch eine entsprechende Auswertung ermittelt werden, ob der gemessene Luftschall einem Strömungsabriss zuzuordnen ist bzw. ob der gemessene Luftschall Komponenten aufweist, zum Beispiel im Falle von Überlagerung mehrerer Effekte, die einem Strömungsabriss zuzuordnen ist. Wird ein Strömungsabriss akustisch detektiert, können Signale zur Steuerung der Windenergieanlage, zur Regelung der Windkraftanlage, und/oder zur Steuerung der elastischen Elemente generiert werden. Elastische Elemente können großflächige Luftkissen oder als Luftkissen ausgebildete Vortexgeneratoren sein. Signale können zum Beispiel von der Auswerteeinheit 250 generiert werden.
Neben der Steuerung von elastischen Elementen als großflächige Luftkissen und/oder veränderbaren Vortexgeneratoren können zum Beispiel auch 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 aeroakustische Geräusche 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. Elastische Elemente, wie zum Beispiel Luftkissen, die großflächig ausgebildet sein können oder als Vortexgeneratoren ausbilden können, können bei Bedarf eingesetzt werden. Das aerodynamische Profil kann auf die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden. Im Hinblick auf durch elastische Elemente ausgebildete Vortexgeneratoren, können im Falle von Betriebsbedingungen, die keine Vortexgeneratoren erfordern könne die Vortexgeneratoren eingefahren werden oder in einen passiven Zustand versetzt werden, um unnötigen Luftwiderstand (drag) zu vermeiden.
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. Ein faseroptischer Drucksensor kann vorteilhaft in Windenergieanlagen eingesetzt werden, da er keine metallischen Teile benötigt. Ferner ermöglicht das Messprinzip die aeroakustische Messung in einem breiten Frequenzbereich. Die aeroakustische Messung kann unmittelbar am Rotorblatt erfolgen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann mittels elastischer Elemente, wie zum Beispiel Luftkissen, d. h. großflächiger Luftkissen (Fläche > 0.5 m²) das Blattprofil an die jeweiligen Strömungssituationen angepasst werden. Es können mehrere elastische Elemente über das Rotorblatt verteilt werden. Mittels Pitch-Regelung kann für einen bestimmten Blattradius der optimale bzw. geeignete Pitchwinkel eingestellt werden. Mittels der elastischen Kissen kann das aerodynamische Profil des Rotorblatts so angepasst werden das der Bereich entlang der Längsachse des Rotorblatts mit einem optimalen Pitchwinkel vergrößert wird, d. h. die radiale Ausdehnung des Bereiches, in dem ein optimaler Pitchwinkel zur Verfügung gestellt ist, vergrößert wird.
Elastische Elemente, wie zum Beispiel Luftkissen, können das aerodynamische Profil des Rotorblatts ändern, zum Beispiel in einem oder mehreren radial angeordneten Bereichen. Die Änderung des aerodynamischen Profils kann zur Vermeidung von Strömungsabrissen zur Verfügung gestellt werden. Abhängig von den Betriebsparametern der Windenergieanlage, zum Beispiel eine Rotordrehzahl oder einem Pitchwinkel, und/oder abhängig von Umgebungsparameter an, zum Beispiel Windgeschwindigkeit oder Windrichtung, können die elastischen Elemente eingesetzt werden. Es kann dabei entweder ein bevorstehender Strömungsabriss erkannt werden, zum Beispiel durch ein oder mehrere Drucksensoren am Rotorblatt und/oder es kann eine Situation hoher Strömungsabriss-Gefahr anhand der Betriebsparameter und/oder Umgebungsparameter bestimmt werden.
Zusätzlich oder alternativ zur Änderung des aerodynamischen Profils im Hinblick auf einen Strömungsabriss kann mittels eines variablen Profils der Ertrag wie folgt weiter gesteigert werden. Bei schwachem Wind kann das Profil derart angepasst werden, dass die Auftriebskraft zunimmt. Einem Windfeld kann mehr Leistung entnommen werden. Bei stärkerem Wind können ein oder mehrere elastischen Elemente, zum Beispiel Luftkissen, derart geregelt bzw. befüllt werden, dass die Auftriebskraft abnimmt. Eine Änderung der Auftriebskraft kann zusätzlich oder als Erweiterung zu einer normalen Pitchsteuerung vorgenommen werden. Eine Reduzierung der Auftriebskraft kann auch dazu verwendet werden, dass eine Windenergieanlage bei höheren Windgeschwindigkeiten betrieben werden kann.
Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen, die mit anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, können elastische Elemente, wie zum Beispiel Luftkissen, aus einem elastischen, gummiartigen Material bestehen. Die elastischen Elemente, zum Beispiel Luftkissen, können auf einem herkömmlichen Rotorblatt befestigt werden oder im Inneren eines Rotorblatts befestigt sein. Die Rotorblatt Oberfläche kann einen Ausschnitt oder einen deformierbaren Bereich enthalten, sodass eine Volumenänderung des elastischen Elements, d. h. des Luftkissen, zu einer Profiländerung des Rotorblatts führt.
Eine Veränderung des aerodynamischen Profils eines Rotorblatts mittels eines elastischen Elements durch dessen Volumenveränderung kann durch Befüllen bzw. Leerung des elastischen Elements, zum Beispiel an Luftkissen, mit Gas erfolgen. Das Gas kann insbesondere Luft sein. Weiterhin kann das Befüllen bzw. das Entleeren eines Luftkissen mit Luft durch eine Druckluftversorgung stattfinden. Alternativ kann die Umgebungsluft mittels der Zentripedalkraft bei sich drehendem Rotor genutzt werden, um Luft von der Blattwurzel zu beschleunigen, um ein elastisches Element zu befüllen. Zusätzlich oder alternativ kann durch geeignete Zuleitung und/oder Ableitung die Zentripedalkraft verwendet werden, um elastische Elemente zu entleeren. Eine entsprechende Steuerung von Ventilen, die in Zuleitungen bzw. Ableitungen für das Luftkissen zur Verfügung gestellt sind, kann zum Beispiel durch ein oder mehrere Signale der Auswerteeinheit 250 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 Erkennen eines Strömungsabriss es, wie zum Beispiel durch Box 702 illustriert. Wie in Box 704 dargestellt wird basierend auf dem Erkennen des Strömungsabriss es die Form eines aerodynamischen Profils des Rotorblatts gesteuert oder geregelt. R. Zum Beispiel können mehrere aeroakustische Geräusche erkannt werden um einen Strömungsabriss zu erkennen. Eine Steuerung kann somit in Abhängigkeit eines mittels eines Drucksensors gemessenen Schallpegel zur Verfügung gestellt werden. Zum Beispiel können Geräusche für eine Turbulenzintensität oder Strömungseingangsgeräusche charakterisiert werden. Aus der Erkennen eines Strömungsabrisses wird eine oder mehrere Komponenten geregelt oder gesteuert. ferner können auch Vortexgeneratoren (VGs) gesteuert werden, insbesondere durch elastische Elemente ausgebildete Vortexgeneratoren. Ferner kann der Rotor bzw., dessen Schnelllaufzahl oder eine Rotorblatt bzw., dessen Pitchwinkel gesteuert oder geregelt werden.
Eine Echtzeitermittlung der charakteristischen aeroakustischen Geräusche 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.
3 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. An den Rotorblättern sind Vortexgeneratoren und faseroptische Drucksensoren zur Verfügung gestellt. Ein elastisches Element kann durch Befüllen oder Entleeren, d. h. doch eine Volumenänderung, das aerodynamische Profil des Rotorblatts an einer oder mehreren radialen Position ändern.
Durch die Ausführungsformen der vorliegende Erfindung können Profiländerungen und/oder Vortexgeneratoren (VGs) nur unter bestimmten Bedingungen stattfinden bzw. aktiviert werden. Diese Bedingungen basieren auf aeroakustischen Geräuschen. Durch die Profilanpassung bzw. die bedingte Aktivierung der VGs kann der Auftrieb eines Rotorblatts an die Bedingungen angepasst werden und unnötiger Luftwiderstand vermieden werden. Folglich kann eine bedingten Aktivierung den Gesamtertrag verbessern.
Die aeroakustische Messung mit faseroptischen Sensoren erlauben eine Anpassung und/oder eine Aktivierung (bzw. Deaktivierung) von Vortexgeneratoren, um den Gesamtertrag einer Windenergieanlage zu erhöhen.
Eine Detektion von Strömungsbedingungen, die zu einem Strömungsabriss führen, kann auch für Sollwerte von Betriebsparametern für eine Steuerung bzw. Regelung erfolgen. Aeroakustische Geräusche können lokal und/oder in Echtzeit bzw. quasi Echtzeit zur Verfügung gestellt werden. 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 bzw. geregelt. Eine Echtzeitermittlung, von zum Beispiel einem Strömungsabriss, 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. Betriebsparameter wie Schnelllaufzahl und Pitchwinkel müssen folglich nicht unter einer Annahme von schwierigsten Bedingungen getroffen werden. Die Parameter bzw. deren Sollwerte können basierend auf der Messung angepasst werden, um so den Ertrag zu verbessern. Zum Beispiel können die Parameter für die jeweiligen Bedingungen des Rotorblatts und den atmosphärischen Bedingungen angepasst werden.
Die Verwendung von faseroptischen Drucksensoren mit ihrer Messcharakteristik erlaubt es elastische Elemente zur Profiländerung und/oder zur Ausbildung veränderlicher VGs zu verwenden. Durch die hier beschriebenen Mess- und Auswerteprinzipien kann der Gesamtertrag basierend auf einem oder mehreren der hier beschriebenen Mechanismen verbessert werden.
4 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 von Aeroakustischen Geräuschen 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. Die Möglichkeit einer Messung ohne metallische Leitungen und Komponenten ist insbesondere für die Reduzierung von Blitzschäden vorteilhaft.
Wie in 4 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 4 dargestellt ist, zur Verfügung zu stellen, ist es von Vorteil, wenn der faseroptische Drucksensor in einem Querschnitt senkrecht zum Lichtleiter 112 in 4 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 4 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 einen Strömungsabriss 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.
Faseroptische Drucksensoren erlauben es aeroakustische Geräusche der Windenergieanlage in einem breiten Frequenzbereich zu erfassen. Die aeroakustischen Geräusche können in analysiert werden. Es können Kategorien des Geräuschs ermittelt werden. Zum Beispiel kann das Geräusch der Hinterkante eines Rotorblatts, einem Strömungsabriss, und/oder einem Eingangsturbulenzgeräusch zugeordnet werden. Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen kann aus dem aeroakustischen Geräusch zumindest eine Charakteristik für einen Strömungsabriss ermittelt werden. Es kann Anhand des Gesamtgeräuschs ermittelt werden, ob ein Strömungsabriss vorliegt bzw. droht vorzuliegen.
Die unterschiedlichen aerodynamischen Geräusche haben individuelle Frequenzbereich und Charakteristiken. Das Geräusche eines Strömungsabrisses ist ein halbtonales, breitbandiges Geräusch, mit Spitzen bei mittleren und niedrigen Frequenzen. Zum Beispiel können Schallpegelspitzen im Bereich von 30 Hz bis 5 kHz, insbesondere von 50 Hz bis 500 Hz auftreten. Durch diese Charakterisierung kann das Geräusch eines Strömungsabrisses detektiert werden. Es wird ermittelt, dass ein Strömungsabriss auftritt bzw. beginnt aufzutreten.
Gemäß hier beschriebener Ausführungsformen kann bei der Detektion ein Signal ausgegeben werden, zum Beispiel durch die Auswerteeinheit 250 in 2. die Form elastischer Elemente, zum Beispiel großflächiger Luftkissen und/oder veränderbar VGs, die für den Betrieb ohne Strömungsabriss innerhalb eines Rotorblatts, zum Beispiel plan oder oberflächenbündig mit der Oberfläche eines Rotorblatts angeordnet sind, kann verändert werden. Hierdurch werden Lasten an den äußeren Rotorblattbereichen reduziert, was den Strömungsabriss verhindert. Der Strömungsabriss hat eine halbtonale Charakteristik für das menschliche Ohr.
In 2 sind Drucksensoren 120, Elastischen Elemente 150 und VGs 160 in radialen Bereichen angeordnet. Die radialen Bereiche können zum Beispiel einzeln ausgewertet und/oder elastischen Elemente können einzeln angesteuert werden, zum Beispiel für zwei oder mehr Bereiche entlang der Längsachse des Rotorblatts. Somit kann eine Strömungsabriss in Bereiche unterteilt verhindert werden. Wird zum Beispiel in einem äußeren Bereich durch Drucksensoren in einem äußeren Bereich ein Strömungsabriss detektiert, können das aerodynamische Profil in diesem Bereich verändert werden. Die volle Leistungsfähigkeit in einem inneren Bereich wird beibehalten. Durch die Steuerung bzw. Regelung kann der Gesamtertrag der Windenergieanlage verbessert werden. Im Falle einer Analyse des aerodynamischen Geräusches, die keinen Strömungsabriss ergibt, die Profilform in Abhängigkeit des Radius, zum Beispiel als Funktion der Entfernung des Radius mit optimalen Pitchwinkel, verändert werden. Der Auftrieb des Rotorblatts kann somit verbessert werden.
Wie oben bereits beschrieben, kann die Detektion eines Strömungsabrisses basierend auf der Charakteristik des aeroakustischen Geräusches auch für Sollwerte anderen Betriebsparameter für eine Steuerung bzw. Regelung verwendet werden. Die Betriebsparameter können zum Beispiel eine Schnelllaufzahl (TSR) und/oder ein Rotorblatt-Pitchwinkel sein. Somit können auch durch die Sollwerte der Betriebsparameter Strömungsabrisse verhindert werden.
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. 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7293959 [0005]
US 8157533 [0005]

Claims

Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung einer Windenergieanlage mit zumindest einem Rotorblatt, umfassend: Erkennen eines Strömungsabrisses oder der Möglichkeit des Strömungsabrisses, insbesondere basierend auf einer Schallemission; und Steuern oder Regeln einer Form eines aerodynamischen Profils des zumindest einen Rotorblatts an zumindest einer radialen Position des Rotorblatts basierend auf dem Erkennen des Strömungsabrisses oder der Möglichkeit des Strömungsabrisses.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: Messen der Schallemission mittels zumindest eines am Rotorblatt angebrachten Drucksensors; und Erkennen eines charakteristischen aeroakustischen Geräusches zur Erkennung des Strömungsabrisses.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Form des Profils durch eine Änderung eines Drucks eines Gases, insbesondere Luft, in einem elastischen Element am Rotorblatt zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das elastische Element ein oder mehrere elastische Elemente sind, die großflächig entlang des Radius des Rotorblattes angeordnet sind, insbesondere in Summe großflächig entlang zumindest 30 % des Radius des Rotorblattes.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei das elastische Element ein oder mehrere elastische Elemente sind, die lokal entlang des Radius des Rotorblattes als Vortexgeneratoren ausgebildet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Vortexgeneratoren zwischen einem aktiven und einem passiven Zustand bewegt oder verändert werden können.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Vortexgeneratoren zwischen einem aktiven und einem passiven Zustand periodisch bewegt oder verändert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mehrere Drucksensoren am Rotorblatt, insbesondere entlang einer Längsachse des Rotorblatts, zur Verfügung gestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zumindest eine Drucksensor ein faseroptischer Sensor ist.
Anordnung zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem Rotorblatt, umfassend: zumindest ein an dem Rotorblatt angebrachter Drucksensor; ein oder mehrere elastischen Elemente, die basierend auf einem Gasdruck oder einem Fluiddruck, das aerodynamische Profil des Rotorblatts verändern; und eine Auswerteeinheit zum Erkennen eines charakteristischen aeroakustischen Geräuschs für zumindest einen Strömungsabriss basierend auf einer mittels des Drucksensors gemessenen Schallemission und zum Steuern oder Regeln des einen oder der mehreren elastischen Elemente.
Anordnung gemäß Anspruch 10, wobei das eine oder die elastischen Elemente zumindest ein elastisches Kissen umfassen, insbesondere eine Kissen aus einem elastischen und/oder gummiartigen Material.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei das eine oder die elastischen Elemente innerhalb des Rotorblatts zur Verfügung gestellt ist, insbesondere an einer Überdruckseite des Rotorblatts und/oder einer Unterdruckseite des Rotorblattprofils.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das eine oder die elastischen Elemente großflächig entlang des Radius des Rotorblattes angeordnet sind, insbesondere in Summe großflächig entlang zumindest 30 % des Radius des Rotorblattes.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das eine oder die mehrere elastische Elemente lokal entlang des Radius des Rotorblattes als Vortexgeneratoren ausgebildet sind.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, 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 5 ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf der Rechenvorrichtung läuft.
Windenergieanlage mit der Anordnung nach Anspruch 10 bis 15.