DE102019106491A1

DE102019106491A1 - Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Windenergieanlagen-Rotorblattes und Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102019106491A1
Application number: DE102019106491.0A
Authority: DE
Inventors: Dennis Dietz
Original assignee: Wobben Properties GmbH
Current assignee: Wobben Properties GmbH
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-09-17
Also published as: WO2020182790A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer Windenergieanlage (100) vorgesehen, welche mindestens ein Windenergieanlagen-Rotorblatt (200) aufweist. Im Inneren des Windenergieanlagen-Rotorblattes (200) ist mindestens ein optischer Reflektor (340) vorgesehen. Licht wird auf den mindestens einen optischen Reflektor (340) emittiert und das von dem mindestens einen Reflektor (340) reflektierte Licht wird durch einen Detektor (320) detektiert. Die Ausgangssignale des Detektors (320) werden zur Erfassung einer absoluten Auslenkung und/oder einer Schwingungsfrequenz des Rotorblatts (200) analysiert. In die Steuerung der Windenergieanlage (100) wird eingegriffen, wenn die absolute Auslenkung des Rotorblattes (200) einen Grenzwert überschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Windenergieanlagen-Rotorblattes und eine Windenergieanlage.
Aufgrund ihrer Länge sind die Rotorblätter einer Windenergieanlage typischerweise unterschiedlichsten Belastungen während des Betriebs der Windenergieanlage ausgesetzt. Um eine Beschädigung der Rotorblätter zu vermeiden, kann die Belastung auf die Rotorblätter beispielsweise mittels Dehnungsmessstreifen im Bereich der Nabe der Windenergieanlage erfasst werden.
EP 3 339 640 A1 zeigt ein LIDAR System zur Erfassung eines 3D-Bildes eines Rotorblattes. Anhand dieser Daten wird der Zustand des Rotorblattes überwacht. Falls nötig kann in den Betrieb der Windenergieanlage eingegriffen werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Erfassen der mechanischen Belastungen auf die Rotorblätter der Windenergieanlage vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Windenergieanlagen-Rotorblattes nach Anspruch 1 sowie durch eine Windenergieanlage nach Anspruch 3 gelöst.
Somit wird ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer Windenergieanlage vorgesehen, welche eine Mehrzahl von Windenergieanlagen-Rotorblättern aufweist. Mindestens eines der Windenergieanlagen-Rotorblätter weist einen optischen Reflektor auf. Licht wird auf den mindestens einen optischen Reflektor emittiert und das von dem mindestens einen optischen Reflektor reflektierte Licht wird durch einen Detektor erfasst. Die Ausgangssignale des Detektors werden zur Erfassung einer absoluten Auslenkung und/oder einer Schwingungsfrequenz des Rotorblattes analysiert. In die Steuerung der Windenergieanlage wird eingegriffen, wenn die absolute Auslenkung des Rotorblattes einen Grenzwert überschreitet. Damit können kritische Betriebszustände der Windenergieanlage vermieden werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt ein Eingreifen in die Steuerung der Windenergieanlage, wenn die Schwingungsfrequenz sich innerhalb mindestens eines definierten Bereiches befindet.
Mittels der oben beschriebenen optischen Messung ist es nunmehr möglich, die tatsächliche absolute Auslenkung des Rotorblattes zu erfassen. Damit können die relevanten Parameter (Auslenkung des Rotorblattes) direkt gemessen werden und müssen nicht aus anderen Parametern abgeleitet werden. Somit kann eine genauere Überwachung der kritischen Auslenkung des Rotorblattes ermöglicht werden.
Die Erfindung betrifft den Gedanken, ein optisches Messsystem im Inneren des Windenergieanlagen-Rotorblattes vorzusehen. Dazu werden im Inneren des Rotorblattes mehrere Reflektoren sowie eine Lichtquelle vorgesehen. Das Licht der Lichtquelle wird auf die Reflektoren gelenkt und von den Reflektoren reflektiert, Anhand des reflektierten Lichts kann eine Blattschwingungsüberwachung (in der Amplitude und Frequenz) des Rotorblattes durchgeführt werden. Falls die Blattschwingung (z. B. die absolute Auslenkung des Blattes) einen Schwellwert erreicht, kann in den Betrieb der Windenergieanlage eingegriffen werden oder der Betrieb kann eingeschränkt werden oder die Windenergieanlage kann gestoppt werden.
Die erfindungsgemäße optische Erfassung der Bewegung des Rotorblattes kann die tatsächliche bzw. absolute Auslenkung des Rotorblattes bestimmen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Frequenzanalyse durchgeführt werden, um ebenfalls die Frequenzen der Blattschwingungen zu bestimmen.
Die optische Messung kann kontinuierlich oder in festgelegten Abständen durchgeführt werden.
Da das optische Messsystem innerhalb des Rotorblattes platziert wird, wird es den Blitzschutz des Rotorblattes nicht beeinträchtigen.
Das erfindungsgemäße Messsystem weist somit mindestens einen Reflektor, mindestens einen Sender zum Emittieren von Licht, mindestens einen Detektor (beispielsweise eine Kamera) zum Erfassen des reflektierten Lichtes sowie eine Steuereinheit zum Empfangen des Ausgangssignals des Detektors und zum Durchführen einer Analyse der empfangenen Daten auf.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Sender infrarotes Licht aussenden, welches durch die Spiegel oder Reflektoren wieder zurückreflektiert wird und dann durch den Sensor erfasst werden kann. Daraus können dann Rückschlüsse auf die Bewegung des Rotorblattes und insbesondere auf die Frequenz der Rotorblattschwingungen gezogen werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird mindestens ein optischer Reflektor in jeweils einem Rotorblatt von einem System hinsichtlich seiner aktuellen Position im Rotorblatt erfasst. Die aktuelle Position des Reflektors dient als Quelle für weiterführende Informationen zur Auslenkung des Rotorblattes und des Schwingverhaltens, so dass mit Hilfe dieser Informationen ein Eingreifen in die Anlagensteuerung ermöglicht wird, um kritische Betriebszustände zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung ist es im Gegensatz zu einer reinen Frequenzüberwachung möglich in Kombination mit den absoluten Werten, die Sensitivität für steuerungsrelevante Informationen deutlich zu steigern und unnötige Abschaltungen zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung werden keine komplexen Messsysteme wie z. B. LIDAR benötigt, um die Schwingungsfrequenz und/oder die Auslenkungen des Rotorblattes zu erhalten. Vielmehr wird ein einfaches und robustes Messsystem vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung,
2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen optischen Messsystems innerhalb des Rotorblattes, und
3 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Reflektors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 200 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.
2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen optischen Messsystems innerhalb des Rotorblattes. In 2 ist ein Rotorblatt 200 mit einem erfindungsgemäßen optischen Messsystem 300 gezeigt. Hierbei ist eine Anzahl von Reflektoren oder Spiegeln 340 im Inneren des Rotorblattes 200 verteilt. Das optische Messsystem 300 weist ferner mindestens einen Sender 310 zum Senden oder Emittieren von Licht wie beispielsweise Infrarotlicht auf. Der Sender bzw. die Lichtquelle 310 kann im Bereich einer Rotorblattwurzel 210 des Rotorblattes vorgesehen sein. Ferner weist das Messsystem 300 mindestens einen Detektor 320 auf, welcher das von den Reflektoren 340 reflektierte Licht erfassen und in elektrische Signale umwandeln kann. Das Ausgangssignal des mindestens einen Detektors 320 wird an eine Steuereinheit 330 ausgegeben, wo eine Analyse der Daten erfolgen kann.
Das erfindungsgemäße Messsystem 300 kann damit optisch eine Erfassung der Bewegung des Rotorblattes ermöglichen und kann damit die Schwingungen des Rotorblattes 200 erfassen. Hierbei kann insbesondere der tatsächliche Schwingungsweg bzw. die tatsächliche Auslenkung des Rotorblattes an den jeweiligen Stellen bestimmt werden, an denen die Reflektoren 340 angeordnet sind.
Die Steuereinheit 330 kann ferner eine Frequenzanalyse dieser Daten durchführen, um die jeweiligen Frequenzen zu bestimmen, mit welchen das Rotorblatt bzw. Abschnitte des Rotorblattes 200 schwingen. Wenn diese Frequenzen in den Bereich beispielsweise der Resonanzfrequenz fallen, dann kann in den Betrieb der Windenergieanlage eingegriffen werden, und beispielsweise kann der Pitchwinkel des Rotorblattes verstellt werden. Falls dies nicht ausreicht, kann der Rotor der Windenergieanlage gestoppt werden.
Die Erfindung betriff ein Verfahren zur optischen Überwachung eines Windenergieanlagen-Rotorblattes, insbesondere zur Überwachung der Blattschwingungen mittels eines optischen Messsystems, welches im Inneren des Rotorblattes vorgesehen ist und Schwingungen des Rotorblattes erfassen kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das optische Messsystem mit einer zentralen Steuereinheit 400 der Windenergieanlage gekoppelt sein. Mittels der zentralen Steuereinheit 400 kann in den Betrieb der Windenergieanlage eingegriffen werden, z. B. kann der Pitchwinkel des Rotorblattes und/oder die Drehzahl des aerodynamischen Rotors gesteuert werden.
Insbesondere kann die zentrale Steuereinheit 400 dazu verwendet werden, die Windenergieanlage abzuschalten bzw. den aerodynamischen Rotor anzuhalten (d. h. die Drehzahl des Rotors zu reduzieren). Dies kann beispielsweise erfolgen, wenn anhand der Daten des optischen Messsystems 300 vermutet werden kann, dass die Belastungen auf die Rotorblätter zu groß sind, insbesondere, weil die Blattschwingungen in ihrer Amplitude zu groß sind oder weil die Schwingungen einen kritischen Frequenzbereich betreffen.
Insbesondere kann das optische Messsystem 300 Warnungen an die zentrale Steuereinheit 400 ausgeben, wenn die Amplituden bzw. Auslenkungen der Schwingungen des Rotorblattes einen Schwellwert überschreiten und/oder wenn die Frequenz der Schwingungen des Rotorblattes einen bestimmten kritischen Frequenzbereich erreichen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Reflektoren 340 im ersten Drittel oder bis zu 50 % der Länge des Rotorblattes gesehen von der Rotorblattwurzel vorgesehen werden.
Mit dem optischen Messsystem gemäß der Erfindung kann eine Auslenkung oder Verformung des Rotorblattes in drei Richtungen erfasst werden. Insbesondere wenn mehrere mindestens zwei Reflektoren 340 an einem Schnitt entlang der Länge des Rotorblattes angeordnet sind, kann auch eine Torsion des Rotorblattes erfasst werden.
Mit dem erfindungsgemäßen optischen Messsystem können die Eigenfrequenzen des Rotorblattes sowie Torsionsschwingungen erfasst werden.
Gemäß der Erfindung können Auslenkungen in drei unterschiedlichen Verformungsrichtungen, nämlich Schlagen, Schwenken und Torsion erfasst werden. Diese drei unterschiedlichen Verformungsrichtungen können einzeln oder in Kombination miteinander ausgewertet werden, um die tatsächliche Auslenkung sowie die Frequenz der Auslenkungen zu erfassen. Gemäß der Erfindung können unterschiedliche Grenzwerte für die jeweiligen Verformungsrichtungen Schlagen, Schwenken und Torsion festgelegt und überprüft werden. Entsprechendes gilt für die Frequenzen der Verformungen Schlagen, Schwenken und Torsion. Damit kann erfindungsgemäß eine detaillierte Überwachung der Verformungen bzw. Auslenkungen des Rotorblattes ermöglicht werden. Ferner können unterschiedliche Eigenfrequenzformen in den drei Verformungsrichtungen überwacht werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit 330 sowohl die tatsächliche Auslenkung bzw. Amplitude als auch die Frequenz der Auslenkungen bestimmen und kann dann entsprechend eine Warnung an die zentrale Steuereinheit 400 ausgeben.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Reflektors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der optische Reflektor 340 weist ein erstes Ende 341 zur Befestigung im Inneren des Rotorblattes 200 auf. Der optische Reflektor 340 weist ferner mindestens einen, vorzugsweise zwei, Arme 342, 343 auf, welche jeweils mindestens einen reflektierenden Abschnitt 344 mit einem reflektierenden Material aufweist. Der reflektierende Abschnitt 344 ist beispielsweise rund ausgestaltet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind zwei reflektierende Abschnitte 344 an dem ersten Arm 342 und an dem zweiten Arm 343 vorgesehen. Der erste und zweite Arm 342, 343 können jeweils gerade ausgestaltet und die ersten und zweiten Arme 342, 343 können in einer Gerade ausgerichtet sein. Der Winkel zwischen der Geraden bestehend aus dem ersten und zweiten Arm 342, 343 und der Innenoberfläche des Rotorblattes wird vorab ausgewählt bzw. festgelegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3339640 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer Windenergieanlage, welche eine Mehrzahl von Windenergieanlagen-Rotorblättern aufweist, wobei im Inneren mindestens eines Windenergieanlagen-Rotorblattes (200) mindestens ein optischer Reflektor (340) vorgesehen ist, mit den Schritten: Emittieren von Licht auf den mindestens einen optischen Reflektor (340), Detektieren des von dem mindestens einen optischen Reflektor (340) reflektierten Lichts durch einen Detektor (320), und Analysieren von Ausgangssignalen des Detektors (320) zur Erfassung einer absoluten Auslenkung und/oder einer Schwingungsfrequenz des Rotorblattes (200), und Eingreifen in die Steuerung der Windenergieanlage (100), wenn die absolute Auslenkung des Rotorblattes (200) und/oder die Schwingungsfrequenz des Rotorblattes (200) einen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt: Eingreifen in die Steuerung der Windenergieanlage, wenn die Schwingungsfrequenz sich außerhalb mindestens eines definierten Bereiches befindet.
Windenergieanlage, mit mindestens einem Windenergieanlagen-Rotorblatt (200), einem optischen Messsystem (300), und einer zentralen Steuereinheit (400), welche dazu geeignet ist, in den Betrieb der Windenergieanlage einzugreifen, wobei das optische Messsystem (300) mindestens einen optischen Reflektor (340) im inneren des Rotorblattes (200), einen optischen Sender (310) zum Senden oder Emittieren von Licht und einen optischen Detektor (320) zum Empfangen von reflektiertem Licht aufweist, wobei das optische Messsystem (300) ferner eine Steuereinheit (330) aufweist, welche das von dem optischen Detektor (320) reflektierte Licht auswertet, um absolute Auslenkungen des Rotorblattes (200) zu erfassen, wobei die zentrale Steuereinheit (400) dazu ausgestaltet ist, in die Steuerung der Windenergieanlage (100) einzugreifen, wenn die absoluten Auslenkungen des Rotorblattes einen Grenzwert überschreiten.
Windenergieanlage nach Anspruch 3, wobei der Sender (310) und der Empfänger (320) im Bereich einer Rotorblattwurzel des Windenergieanlagen-Rotorblattes (200) vorgesehen sind.
Windenergieanlage nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zentrale Steuereinheit (400) dazu ausgestaltet ist, einen Pitchwinkel eines Windenergieanlagen-Rotorblattes und/oder einen Azimutwinkel der Windenergieanlage zu steuern.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der mindestens eine optische Reflektor (340) mindestens einen ersten Arm (342) mit mindestens einem reflektierenden Abschnitt (344) aufweist.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Steuereinheit (330) dazu ausgestaltet ist, die Ausgangssignale des optischen Detektors (320) zu analysieren, um eine Schwingungsfrequenz des Rotorblattes (200) zu erfassen, und wobei die zentrale Steuereinheit (400) dazu ausgestaltet ist, in die Steuerung der Windenergieanlage einzugreifen, wenn sich die Schwingungsfrequenz außerhalb mindestens eines definierten Bereichs befindet.