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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Windkraftanlagen. Sie betrifft insbesondere die
Statik von Windkraftanlagen. Die vorliegende Erfindung betrifft
im Speziellen eine Schutzvorrichtung für Windkraftanlagen, ein Verfahren
zum Betrieb dieser Vorrichtung sowie eine Windkraftanlage.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Windenergie
birgt viele Vorteile gegenüber traditionellen
Energieträgern.
Hierzu zählen,
um nur einige zu nennen, ihre Umweltverträglichkeit, die Versorgungssicherheit,
d. h. sie ist aufgrund der allgemeinen Verfügbarkeit von Wind unabhängig von
Embargos und Exportbeschränkungen,
sowie ihre Unerschöpflichkeit.
In einigen Ländern
gehört
Wind zu den am schnellsten wachsenden Energiequellen für die Stromerzeugung.
In diesem Zusammenhang wurden Windkraftanlagen entwickelt, die eine
Leistung von mehreren Megawatt erbringen und flexibel auf wechselnde
Bedingungen reagieren.
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Darüber hinaus
wurden Sicherheits- und Wartungskonzepte entwickelt. Einer der zu
berücksichtigenden
Sicherheitsaspekte betrifft das Fundament von Windkraftanlagen,
auf das der Turm montiert ist. Die Größe des Fundaments muss in Relation zur
Größe der Windkraftanlage
und unter Berücksichtigung
der lokalen geologischen Bedingungen bestimmt werden. Infolgedessen
muss den Lasten Beachtung geschenkt werden, die bei sehr starkem Wind
auf die Windkraftanlage wirken. Diese Last kann teilweise, z. B.
durch winkelgeregelte Rotorblätter
oder dergleichen, reduziert werden. Nichtsdestoweniger sind nach
unten wirkende Kräfte
von mehr als 2000 kN, in Windrichtung wirkende Kräfte von mehr
als 500 kN und seitwärts
wirkende Kräfte
von mehr als 150 kN, d. h. in einem bestimmten Winkel relativ zur
Windrichtung wirkende Kräfte,
wie es bei einem von der Seite kommenden Windstoß der Fall wäre, als
Kräfte
einzustufen, die am Fuß des
Turms angreifen. Zur Gewährleistung
einer dauerhaften Standfestigkeit der Windkraftanlage müssen daher solide
Fundamente verwendet werden.
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Wie
oben bereits erwähnt,
hängt die
Stabilität
des Fundaments jedoch auch von den lokalen geologischen Bedingungen
ab. Infolgedessen ist Grundwasser und vor allem aufsteigendes Grundwasser
schon allein deshalb ein zu berücksichtigender
Aspekt, weil viele Windparks wegen der guten Windbedingungen in
Küstennähe errichtet
werden.
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Daher
werden gemäß dem Stand
der Technik Pumpensysteme vorgeschlagen, die das Grundwasser unter
einem bestimmten Pegel halten. Es fällt jedoch schwer die erforderliche
Pumpenleistung abzuschätzen.
Zur Sicherheit werden üblicherweise überdimensionierte
Pumpensysteme mit einer hohen Leistungsaufnahme verwendet. Da ein
steigender Grundwasserpegel schwer wiegende Schäden verursachen kann, müssen zusätzliche
Sicherungssysteme bereitgestellt werden.
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Eine
andere bekannte Lösung
sieht die Verwendung von stark überdimensionierten
Fundamenten mit zusätzlicher
Schwerkraft vor. Die Umsetzung eines solchen Konzepts ist mit einem
beträchtlichen Konstruktionsaufwand
verbunden, so dass sich die Kosten für das Fundament erhöhen.
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Eine
weitere bekannte Lösung
beschreibt die Verwendung von Pfeilern, auf denen das Fundament errichtet
wird. Die Umsetzung eines solchen Konzepts erhöht wiederum die Kosten für das Fundament.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung soll mindestens eines der oben beschriebenen
Probleme lösen.
Daher wird eine Windkraftanlage mit verbesserten Sicherheitsvorkehrungen
bezüglich
des Grundwasserpegels bereitgestellt. Erreicht werden soll dies
durch die Schutzvorrichtung für
Windkraftanlagen gemäß dem unabhängigem Anspruch
1, durch die Windkraftanlage gemäß dem unabhängigen Anspruch
12 und durch das Verfahren zum Betrieb eines Schutzsystems für Windkraftanlagen
gemäß dem unabhängigen Anspruch
24.
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Weitere
Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sind aus den
abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
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Gemäß einem
Aspekt wird ein Stabilisierungssystem für Windkraftanlagen bereitgestellt,
das nachfolgend auch als Schutzvorrichtung bezeichnet wird. Die
Vorrichtung umfasst eine Sensoreinheit mit einem auf einen Grundwasserpegel
reagierenden Sensor. Ein Signal des Sensors wird von einer Sendeeinheit
an die Windkraftanlage gesendet.
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Folglich
kann je nach dem von der Sendeeinheit gesendeten Signal, das dem
Grundwasserpegel entspricht, der Betriebszustand der Windkraftanlage gesteuert
werden. Falls die Statik der Windkraftanlage angesichts des Grundwasserpegels
kritisch ist, kann die Windkraftanlage von der Schutzvorrichtung durch
Abschalten der Windkraftanlage geschützt werden.
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Gemäß einem
anderen Aspekt wird ein zweiter Sensor für die Sensoreinheit bereitgestellt.
Der zweite Sensor kann optional in einer anderen Tiefe als der erste
Sensor positioniert werden.
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In
Anbetracht dieses Aspekts ist es möglich, die Messzuverlässigkeit
zu erhöhen
und/oder Reservesensoren bereitzustellen. Durch die optionale Positionierung
in unterschiedlichen Tiefen können Schwankungen
des Grundwasserpegels oder das Erreichen von Grundwasserpegel-Warnstufen
festgestellt werden.
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Gemäß einem
anderen Aspekt wird der Sensor der Sensoreinheit in einer ausgekleideten
Kammer untergebracht. Für
den Sensor wird somit ein separater Bereich geschaffen. Dadurch
ist der Sensor geschützt,
und das Auftreten von Funktionsstörungen kann reduziert werden.
Gemäß einem
weiteren Aspekt kann die Kammer an ein Drainagesystem angeschlossen
sein. Dadurch wird der im Bereich des Drainagesystems vorhandene
Grundwasserpegel auch in der Kammer erreicht.
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Gemäß weiteren
Aspekten kann es sich bei den auf den Grundwasserpegel reagierenden
Sensoren entweder um Sensoren für
das Erkennen von Grundwasser an der Sensorposition, um Sensoren zur
Messung eines durchgehenden Grundwasserpegelwerts oder um Sensoren
handeln, die die Bodenfeuchte und da durch einen kontinuierlichen
Grundwasserpegelwert messen. Gemäß einem
weiteren Aspekt können
auch Kombinationen dieser Sensoren bereitgestellt werden. Folglich
können
Messsysteme mit variierender Flexibilität bereitgestellt werden, die sich
an die lokalen Bedingungen der Windkraftanlage anpassen lassen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann das Messen eines kontinuierlichen Grundwasserpegelwerts
zur Berechnung des Gefahrenpotenzials mit Hilfe einer CPU oder dergleichen
dienen. Folglich lassen sich je nach Evaluierung durch die CPU verschiedene
Betriebszustände
wie "Warnung", "Abschaltung" oder "Betrieb bei schwachem
Wind" erzeugen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann eine Windkraftanlage, die ein Fundament, einen
Turm, eine Gondel, Rotorblätter
und eine beliebige Schutzvorrichtung für Windkraftanlagen umfasst,
gemäß einem
der oben erwähnten
Aspekte eingesetzt werden. Gemäß einem
weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Schutzvorrichtung
für Windkraftanlagen
bereitgestellt. Dadurch wird ein Signal eines Sensors gemessen.
Der Sensor reagiert auf den Grundwasserpegel am Fundament der Windkraftanlage.
Außerdem
wird der Betriebszustand der Windkraftanlage je nach dem gemessenen
Sensorsignal geändert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt besteht die Änderung
des Betriebszustands der Windkraftanlage je nach dem gemessenen
Sensorsignal im Abschalten oder Anschalten der Windkraftanlage.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt wird das Signal von mindestens einem weiteren auf
den Grundwasserpegel reagierenden Sensor gemessen. Auf der Grundlage
der gemessenen Sensorsig nale wird die Windkraftanlage entweder in
einen Warnzustand oder in einen Abschaltzustand umgeschaltet, oder sie
kann im Normalbetrieb betrieben werden. Zur Festlegung des Betriebszustands
der Windkraftanlage können
optional die Windbedingungen noch genauer ausgewertet werden. Dadurch
lässt sich
ein unnötiges
Abschalten der Anlage bei schwachem Wind vermeiden.
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Die
Erfindung befasst sich auch mit Vorrichtungen zum Anwenden der dargelegten
Verfahren sowie mit Vorrichtungsabschnitten zum Ausführen der
einzelnen beschriebenen Verfahrensschritte. Diese Verfahrensschritte
können
mittels Hardwarekomponenten, einem mit geeigneter Software programmierten
Computer, einer beliebigen Kombination der beiden oder auf beliebige
andere Weise ausgeführt
werden. Darüber
hinaus befasst sich die Erfindung auch mit Verfahren für den Betrieb
der beschriebenen Vorrichtung. Sie enthält Verfahrensschritte zum Ausführen der
einzelnen Vorrichtungsfunktionen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Einige
der oben genannten und weitere, detailliertere Aspekte der Erfindung
sind in der folgenden Beschreibung aufgeführt und unter Bezugnahme auf
die Figuren teilweise veranschaulicht. Gemäß ihrem Gebrauch in diesem
Dokument entsprechen gleiche Nummern in den verschiedenen Figuren
denselben oder äquivalenten
Komponenten der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform, bei der das Stabilisierungssystem
und die Teile der Windkraftanlage dargestellt werden.
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2 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform,
bei der zwei Sensoren zum Messen des Grundwasserpegels verwendet werden.
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3 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform,
bei der ein Messgerät
für die
kontinuierliche Messung des Grundwasserpegels verwendet wird.
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4 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform,
bei der das Messgerät
in Form von Feuchtigkeitssensoren zur kontinuierlichen Messung des
Grundwasserpegels verwendet wird.
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5 zeigt
eine schematische Seitenansicht der Windkraftanlage mit einem Fundament,
einem Turm, einer Gondel, Rotorblättern und einem Stabilisierungssystem,
das an eine Steuereinheit angeschlossen ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
Ausführungsform
ist in 1 dargestellt. Das nachfolgend beschriebene Stabilisierungssystem
ist in der Nähe
der Windkraftanlage angeordnet . Das in 1 dargestellte
Fundament 6 der Windkraftanlage befindet sich in der Bodenschicht 1. Das
Fundament 6 muss groß genug
sein, um während
des Betriebs der Windkraftanlage den auf sie einwirkenden Kräften und/oder
hoher Windlast standzuhalten, wenn die Windkraftanlage abgeschaltet
ist. Das Fundament sollte mindestens so dimensioniert sein, dass
es diese Kräfte
aufnehmen kann, solange der Grundwasserpegel unter einer definierten
Tiefe liegt. In diesem Zusammenhang müssen extreme Windbedingungen,
Merkmale der Windkraftanlage wie die Blattwinkelregelung sowie die
durchschnittlichen geologischen Bedingungen vor Ort Berücksichtigung
finden. Der Turm 2 der Windkraftanlage (in 1 ist
nur der untere Teil dargestellt) ist mit dem Fundament verbunden.
Bei der Montage des Turms können
in der Regel unterschiedliche Materialien und verschiedene Formen
und Befestigungssysteme zur Anwendung kommen. Im Allgemeinen können Stahltürme, Betontürme und
Gittertürme
eingesetzt werden. Die Verbindung des Turms mit dem Fundament erfolgt
je nach Turmtyp durch Einlassen des Turms in das Fundament, durch
ein Fußflanschverbindung
oder auf ähnliche
Weise.
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In
Turm 2 ist eine Steuereinheit 4 der Windkraftanlage
untergebracht. Die Steuereinheit ist durch Betreten des Turms zugänglich.
Da der Turm eine Nabenhöhe
von mehr als 80 m aufweist, ist es offensichtlich, dass sein Durchmesser
mindestens mehrere Meter beträgt
und der Turm somit begehbar ist. Die Steuereinheit ist eine der
relativ leicht zugänglichen
Komponenten der Windkraftanlage, da das Bedienpersonal zur Bedienung
der Steuereinheit nicht den Turm hinaufsteigen muss. Die Steuereinheit
stellt somit mehrere Steuerungsmechanismen der Windkraftanlage bereit,
die auch, wie nachfolgend beschrieben, vom Stabilisierungssystem
der Windkraftanlage genutzt werden können.
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Der
Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung schließt ein,
dass sich eine Steuereinheit auch außerhalb des Turms der Windkraftanlage
oder an einem anderen Ort befinden kann. In diesem Zusammenhang
sind die gute Zugänglichkeit
und die Kontrolle über
die Zugangsberechtigung zu berücksichtigende
Aspekte.
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Das
Stabilisierungssystem für
Windkraftanlagen umfasst gemäß einer
Ausführungsform
einen in der Kammer 14 untergebrachten Sensor 16.
Je nach Grundwasserpegel, beispielsweise GWP1 bzw. GWP2, ist der
Sensor 16 dem Grundwasser eventuell ausgesetzt bzw. nicht
ausgesetzt. Wenn der Grundwasserpegel über einem bestimmten Grenzwert
liegt, ist der Sensor folglich dem Grundwasser ausgesetzt. Falls
der Grundwasserpegel diesen Grenzwert überschreitet, sendet der Sensor 16 ein Signal,
das auf den gefährlichen
Grundwasserpegel hinweist. Dieses Signal wird über die Sendeeinheit 18 an
die Steuereinheit 4 der Windkraftanlage gesendet. Anschließend bewirkt
die Steuereinheit 4 das Umschalten der Windkraftanlage
in den Abschaltzustand oder Abschaltmodus. Durch das Abschalten der
Windkraftanlage werden die auf das Fundament einwirkenden Kräfte deutlich
reduziert. Die Windkraftanlage wird somit durch die Schutzvorrichtung stabilisiert.
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Durch
das Variieren der Einbautiefe von Sensor 16 in der Kammer 14 lässt sich
der Grenzwert des Grundwasserpegels anpassen, der das Abschalten der
Windkraftanlage bewirkt.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Sensor 16 in
der Kammer 14 untergebracht. Die Kammer 14 befindet
sich in der an das Fundament angrenzenden Bodenschicht. Die Kammer 14 ist über eine
Röhrenleitung 13 mit
einem Drainagesystem 12 verbunden. Dadurch wird der Grundwasserpegel
in der an das Fundament 6 und das Drainagesystem 12 grenzenden
Bodenschicht 1 an die Kammer 14 übertragen.
Damit kein Regenwasser in die Kammer 14 eindringen kann,
verfügt
die Kammer 14 an ihrer Oberseite über eine Abdeckung. Die an
der Oberseite der Kammer 14 angebrachte Abdeckung fungiert
somit als ein Regenwasserschutz 15 für den Sensor 16. Eine
wie in 1 dargestellte Abdeckung ist nur eine von mehre ren
Möglichkeiten,
um einen Sensor 16 vor anderem Wasser als Grundwasser zu
schützen.
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Das
in 1 dargestellte Drainagesystem ist ein um das Fundament 6 verlaufender
Drainagering. Die vorliegende Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. Ein
Drainagesystem könnte
auch aus mehreren Ringen bestehen oder anders ausgeführt sein, und
einige der Drainageausführungen
könnten
jeweils in unterschiedlichen Tiefen angeordnet sein. Ferner könnten Kanäle an der
Außenfläche des
Fundaments zur Unterstützung
einer Drainage, beispielsweise eines Drainagerings, dienen. Die
verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen eines Drainagesystems
können
auch auf andere Ausführungsformen
von Stabilisierungssystemen angewendet werden, die unter Bezugnahme
auf die 2 bis 5 beschrieben
werden.
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In 1 enthält die schematische
Zeichnung der Kammer 14 eine Auskleidung 14b.
Diese Auskleidung kann wasserundurchlässig sein, so dass das über die
Röhrenleitung 13 in
die Kammer 14 strömende
Grundwasser gesammelt wird und in der Kammer bleibt. Gemäß einer
solchen Ausführungsform
besteht die einzige Verbindung der Kammer 14 mit der Bodenschicht 1 und
dem Grundwasserpegel (GWP1, GWP2) über die Drainage 12 und
die Röhrenleitung 13.
Folglich muss das Grundwasser über die
Röhrenleitung 13 und
die Drainage 12 in die Kammer 14 hinein- und aus
dieser herausströmen.
In einer Ausführungsform
mit der Röhrenleitung 13 als einzigem
Ein- und Auslass, ist die Röhrenleitung 13 vorzugsweise
nahe der Kammerunterseite an die Kammer angeschlossen. Dadurch lässt sich
beim Absinken des Grundwasserpegels auf einen niedrigen Pegelstand
vermeiden, dass Wasser in der Kammer 14 zurückbleibt.
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Die
Kammer 14 lässt
sich jedoch auch gemäß anderen Ausführungsformen
konfigurieren, die im Folgenden beschrieben sind. Es ist auch möglich, einfach
ein Loch in die Bodenschicht zu graben, das so tief ist, dass der
Sensor auf Höhe
eines Grundwasserpegels installiert werden kann, der für die Stabilität der Windkraftanlage
(unter Berücksichtigung von
Sicherheitsabständen)
entscheidend ist. Das Loch kann optional mit einem Drainagesystem
verbunden werden. Darüber
hinaus kann es z. B. mit Kies oder dergleichen gefüllt werden,
um zu vermeiden, dass am Rand des Lochs (der Kammer) lose Erde in
die Kammer fällt.
In einer solchen Ausführungsform
wäre es
auch denkbar, dass der Sensor in der an das Fundament 6 grenzenden
Bodenschicht 1 vergraben ist. Um den Zugang zum Sensor
für Wartungsarbeiten
zu ermöglichen,
wird das Füllmaterial in
einer Form bereitgestellt, die ein schnelles Entfernen des Materials
ermöglicht.
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Des
Weiteren gehören
zu einer anderen Konfiguration der Kammer 14 eine von einer
Kammerwand, z. B. der Auskleidung 14b, umgebene Kammer,
die in einem Loch untergebracht ist. Wie in 1 dargestellt,
kann die Kammer über
die Röhrenleitung 13 an
ein Drainagesystem angeschlossen sein. In 1 ist hingegen
nicht dargestellt, dass der Boden der Kammer eine Bohrung aufweisen
kann, damit das in die Kammer einströmende Wasser die Kammer 14 verlassen
kann, sobald der Grundwasserpegel sinkt. In einer Konfiguration
können
Betonröhren
als Auskleidung verwendet werden. Die Röhre wird am oberen Ende von
einer Betondecke abgeschlossen, wodurch die Kammer gebildet wird.
Zum Bau der röhrenförmigen Kammer
ist es möglich, mehrere
Betonringe zu verwenden, die übereinander gestapelt
werden. Ein unter Bezugnahme auf 2 ausführlicher
beschriebener Filter wird am unteren Ende der röhrenförmigen Kammer platziert. Die
Betonwände
enthalten ein Loch, durch das die Kammer über die Röhrenleitung 13 mit
dem Drainagesystem verbunden ist.
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Der
Sensor 16 des Stabilisierungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung misst, ob der Grundwasserpegel einen bestimmten Grenzwert überschritten
hat oder nicht. Ist dies der Fall, bewirkt das vom Sensor 16 an
die Steuereinheit 4 gesendete Signal, dass die Steuereinheit 4 die
Windkraftanlage abschaltet. Dadurch werden die auf das Fundament einwirkenden
Kräfte
deutlich reduziert. Ein System zur Grundwassermessung könnte mehrere
Sensoren 16 enthalten, um beispielsweise die Messzuverlässigkeit
zu verbessern. Die Sensoren können
somit als Reservesysteme dienen. Die Windkraftanlage könnte zusätzlich oder
alternativ nur auf einen kritischen Grundwasserpegel reagieren,
wenn mindestens 20% der bereitgestellten Sensoren, mindestens 50%
der bereitgestellten Sensoren oder mindestens 80% der bereitgestellten
Sensoren ein Signal abgeben, das auf die Überschreitung des für den Grundwasserpegel
gesetzten Grenzwerts hinweist. Die oben beschriebenen Varianten
mit mehreren Sensoren 16 können optional auch in anderen
Ausführungsformen
zur Anwendung kommen, die unter Bezugnahme auf die weiteren Figuren
beschrieben sind.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform. Im
Folgenden wird 2 unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Infolgedessen werden nur Unterschiede zu 1 beschrieben. 2 zeigt
ein Stabilisierungssystem, mit zwei Sensoren 22 und 24.
Die Sensoren 22 und 24 sind in der Kammer 14 untergebracht.
Die Kammer 14 ist mit dem Umgebungsgrundwasser zum einen über das
Drainagesystem 12 und die Röhrenleitung 13 verbunden.
Zum anderen ist die Kammer 14 über die Öffnung 26 mit dem Umgebungsgrundwasser
verbunden. Die Öffnung 26 verbindet
die Kammer 14 über
den Filter 28 mit dem Umgebungsgrundwasser. Der Filter 28 ist
so gefertigt, dass Wasser in die Kammer 14 hinein und aus der
Kammer hinausströmen
kann. Andererseits hindert der Filter 28 Schlamm, Sand
und andere Partikel am Eindringen in die Kammer 14. Folglich
können sich
Schlamm, Sand und andere Partikel nicht in der Kammer ablagern.
Dadurch lässt
sich das Reinigen der Kammer von Ablagerungen vermeiden bzw. die Reinigungshäufigkeit
verringern. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
kann auch die Röhrenleitung 13 mit
einem geeigneten Filter ausgestattet werden. Darüber hinaus ist es möglich, die
Kammer 14 mit mehreren Ein- und Auslässen auszuführen, die entweder mit der Öffnung 26 oder
mit der Röhrenleitung 13 vergleichbar
wären.
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Im
Folgenden wird der Betrieb des in 2 dargestellten
Systems beschrieben, das die Sensoren 22 und 24 umfasst.
Falls der Grundwasserpegel unter die Position des Sensors 24 absinkt,
erkennt keiner der beiden Sensoren Grundwasser. Bei steigendem Grundwasser
erkennt zuerst der Sensor 24 den ansteigenden Grundwasserpegel.
Daraufhin wird vom Sensor 24 ein Signal gesendet, das auf
den Anstieg des Grundwasserpegels bis zu einer als GWP1 bezeichneten
Marke hinweist. Je nach Statik der Windkraftanlage, ist der Grundwasserpegel eventuell
niedrig genug, um den weiteren Betrieb der Windkraftanlage bei schwachem
Wind zu rechtfertigen. Folglich kann das vom Grundwassersensor 24 gesendete
Signal als eine auf den Grundwasserpegel bezogene Warnung aufgefasst
werden. Falls starker Wind auf die Windkraftanlage wirkt, würde schon
der Warnstatus das Abschalten der Windkraftanlage auslösen. Bei
schwachem Wind kann der Normalbetrieb der Windkraftanlage aufrechterhalten werden.
Es ist ferner möglich,
dass ein Warnsignal an ein Fernwartungssystem gesendet wird. Ein
solches Fernwartungssystem könnte
sich entweder in einem zentralen Kontrollgebäude des Windkraftanlagenbetreibers
oder in einer Wartungsabteilung des Herstellers befinden.
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Im
Falle eines weiter ansteigenden Grundwasserpegels würde sowohl
der Sensor 24 als auch der Sensor 22 ein Signal
senden, das dem erkannten Grundwasserpegel entspräche. Je
nach Empfindlichkeit des Sensors 22 und der Einbautiefe
des Sensors 24 bewirkt das Erreichen eines bestimmten Grenzwerts
für den
Grundwasserpegel, dass beide Sensoren ein dem erkannten Grundwasserpegel
entsprechendes Signal senden. Folglich kann die Windkraftanlage
abgeschaltet werden, wenn das Grundwasser einen bestimmten Pegel
erreicht.
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In
der in 2 dargestellten Ausführungsform ist es ferner möglich, den
Sensor 22 und den Sensor 24 für einen Zuverlässigkeitstest
des Systems zu verwenden. Falls der Sensor 22 ein dem erkannten
Grundwasser entsprechendes Signal sendet, während der Sensor 24 dies
nicht tut, könnte
das System ein weiteres Signal senden, das eine Funktionsstörung anzeigt.
In einem solchen Fall könnte
die Windkraftanlage sofort abgeschaltet werden, eine Warnung an
das Fernwartungssystem könnte
generiert werden und/oder grundwasserbezogene Messdaten von benachbarten
Windkraftanlagen (falls die Windkraftanlage zu einem Windpark gehört) könnten empfangen
werden und als Entscheidungsgrundlage für jede weitere Maßnahme dienen.
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In
einer weiteren Konfiguration ist der Sensor 24 mit einer
Pumpe verbunden, die sofort in Betrieb genommen wird, sobald das
Grundwasser einen ersten Pegel erreicht hat. Sollte das Abpumpen
des Wassers nicht ausreichen, um den Anstieg des Grundwassers bis
zum vordefinierten zweiten Pegel zu verhindern, bewirkt der Sensor 22 das
Abschalten der Windkraft anlage.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform. Im
Folgenden wird 3 unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Infolgedessen werden nur Unterschiede zu 1 beschrieben. 3 zeigt
ein Stabilisierungssystem mit einem röhrenförmigen Messsystem, das in die
fundamentnahe Bodenschicht eingelassen ist. Das Messsystem ist mit
der Steuereinheit 4 verbunden.
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Teil
des Messsystems ist eine Röhre 32,
die eine Kammer für
den Sensor 34 bildet. In das Messsystem ist eine Evaluierungseinheit 36 in
Form einer elektrischen Schaltung, eines Mikrocomputers, einer CPU
oder dergleichen integriert. Eine Abdeckung 33 bedeckt
die Röhre 32.
Die Abdeckung 33 schützt
den Sensor 34 und das Innere der Röhre 32 einschließlich der
Evaluierungseinheit 36 vor Regenwasser oder dergleichen.
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Der
durch die langgestreckte vertikale Messzelle dargestellte Sensor 34 ist
in der Lage, Schwankungen des Grundwasserpegels kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich
zu messen. Unter quasi-kontinuierlich ist zu verstehen, dass die
Schwankung des Grundwasserpegels mit einem durch die Empfindlichkeit
des Sensors oder durch einen Digitalisierungsprozess vorgegebenen
Inkrement gemessen wird. Folglich ermittelt der Sensor 34 nicht,
ob der Grundwasserpegel die Sensorposition erreicht hat oder nicht,
sondern liefert ein Signal, dass der Tiefe des Grundwasserpegels
entspricht. Der Sensor 34 kann zur Angabe des Grundwasserpegels
eventuell einen analogen Wert zwischen 0 V und 5 V oder einen analogen
Wert zwischen 0 V und 10 V, einen digitalen Wert einer beliebigen
Busverbindung (CAN, PROFI usw.) oder einen beliebigen anderen Wert ausgeben.
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Die
Evaluierungseinheit 36 kann den vom Sensor 34 ausgegebenen
Wert des Grundwasserpegels lesen. Folglich kann die Evaluierungseinheit 36 einer
externen Vorrichtung einen definierten Wert des Grundwasserpegels
bereitstellen. In diesem Fall würde
die externe Vorrichtung die angesichts des Grundwasserpegels zu
treffende Maßnahme
(Abschaltung, Warnung oder dergleichen) festlegen. Andererseits kann
die Evaluierungseinheit eventuell auch in der Lage sein, den gemessenen
Sensorwert zu evaluieren, über
das Abschalten der Windkraftanlage zu entscheiden und ein entsprechendes
Signal über
die Sendeeinheit 18 an die Windkraftanlage zu senden.
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In 3 ist
das Messsystem nicht mit dem Drainagesystem 13 verbunden.
Die Röhre 32 ist
so aufgebaut, dass Wasser in die von der Röhre 32 gebildete Kammer
einströmen
und aus dieser herausströmen
kann. Daher kann ein wie unter Bezugnahme auf 2 beschriebener
Filter zum Abdecken der in der Röhre 32 enthaltenen Öffnungen
verwendet werden. Folglich kann Schlamm, Sand oder dergleichen nicht
in die Röhre 32 gelangen.
Dadurch wird die Ablagerung von Schlamm, Sand und dergleichen in
der Röhre 32 reduziert.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Stabilisierungssystems für
Windkraftanlagen. Auf ähnliche
oder vergleichbare Weise wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen
wird der Turm 2 der Windkraftanlage auf das in die Bodenschicht 1 eingelassene
Fundament 6 montiert. Des Weiteren wird um das Fundament 6 herum
ein Drainagesystem 12 erstellt. Im Turm 2 ist
eine Steuereinheit 4 untergebracht.
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4 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der das System zur Messung des Grundwasserpegels die Sensoren 42 umfasst.
Die Sensoren 42 sind über die
Sendeeinheiten 48 mit der Steu ereinheit 4 der Windkraftanlage
verbunden. Die Sensoren 42 sind in der Lage, die Feuchtigkeit
der an den Sensor grenzenden Bodenschicht zu messen. Durch das Messen der
Bodenfeuchte könnte
demnach ein ansteigender Grundwasserpegel erkannt werden, der mit
einer kontinuierlichen Zunahme der Bodenfeuchte bei einem bestimmten
Pegel einherginge. Folglich könnte eine
kontinuierliche Messung des Grundwasserpegels durchgeführt werden.
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Der
Sensor 42 ist teilweise von einer Regenwasserschutzvorrichtung 44 umgeben.
Eine Abdeckung schirmt den Sensor 42 nach oben und zur
Seite gegen die Bodenschicht ab. Eine in Richtung des Sensors 42 erfolgende
Wasserströmung,
die nicht durch einen steigenden Grundwasserpegel verursacht wird,
wirkt sich daher nicht oder kaum auf die durch den Sensor 42 erfolgende
Feuchtigkeitsmessung aus.
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In 4 sind
zwei Sensoren und Regenwasserschutzvorrichtungen sowie die Sendeeinheiten 48 dargestellt.
Wie unter Bezugnahme auf die in 1 dargestellte
Ausführungsform
beschrieben wurde, kann einer der zwei Sensoren als Reservesensor
für den
anderen dienen, oder die zwei Messungen können zur Verbesserung der Messzuverlässigkeit
kombiniert werden. Für
den Fachmann ist selbstverständlich
nachvollziehbar, dass in dieser Ausführungsform statt eines einzigen
Sensors auch mehrere Sensoren eingesetzt werden könnten.
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Ähnlich wie
der Sensor 34 (siehe 3) gibt der
Sensor 42 einen Messwert aus, bei dem es sich nicht um
ein binäres
Ergebnis (ja/nein), sondern um einen kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Wert
handelt. Folglich dient eine in der Steuereinheit oder in den Messsensoren
untergebrachte Evaluierungseinheit dazu, anhand des Feuchtigkeitswerts
zu bestimmen, ob die Windkraftanlage abgeschaltet werden soll, ob
eine auf den Grundwasserpegel bezogene Warnung generiert werden
soll oder ob die Windkraftanlage im Normalbetrieb arbeiten kann.
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Im
Folgenden wird eine weitere Ausführungsform
unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Darin wird eine
Windkraftanlage 50 mit einer Gondel 52, Rotorblättern 54,
einer Nabe 56, einem Turm 2 und einem Fundament 6 dargestellt.
An das Fundament 6 grenzt das Drainagesystem 12.
Das Drainagesystem 12 ist über die Röhrenleitungen 13 mit
den entsprechenden Messkammern 14 verbunden. In jeder Kammer
ist ein Sensor 16 untergebracht. Die Sensoren 16 messen,
ob der Grundwasserpegel einen bestimmten Grenzwert überschritten hat.
Ein entsprechendes Signal wird über
die Sendeeinheiten 48 an die Steuereinheit 4 der
Windkraftanlage gesendet.
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Die
Sensorsignale können
direkt oder über eine
Evaluierungseinheit beispielsweise über Elektrokabel (18, 48)
an eine Steuereinheit gesendet werden. Dabei werden die Kabel als
Sendeeinheit aufgefasst. Anstelle von Kabeln kann auch die Funkübertragung
eingesetzt werden, um einer Steuereinheit die gewünschten
Signale von den umgebenden Sensoren bereitzustellen. Der Geltungsbereich
der Erfindung schließt
die andere Möglichkeiten
ein, dem Grundwasserpegel entsprechende Sensorsignale an eine Steuereinheit
zu senden. Folglich fallen verschiedene Typen von Sendeeinheiten
in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung.
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Übersteigt
der Grundwasserpegel einen bestimmten auf der Statik basierenden
Grenzwert, wird die Windkraftanlage 50 abgeschaltet. Dabei
werden die Rotorblätter 54 durch
die Blattwinkelregelung in eine Parkstellung gebracht. Es können wei tere
Maßnahmen
ergriffen werden, um die Windkraftanlage in den Abschaltzustand
zu bringen.
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Wie
unter Bezugnahme auf die vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurde,
ist es auch möglich,
den Grundwasserpegel als einen kontinuierlichen Wert oder mit Hilfe
einer Reihe von Sensoren zu messen, die auf der Grundlage ihres
Kontakts mit dem Grundwasser jeweils ein binäres Signal (ja/nein) abgeben.
Anhand der von einem Messsystem bereitgestellten Informationen kann
ein Stabilisierungssystem somit über
das Ergreifen verschiedener Maßnahmen
entscheiden, u. a. über
das Senden einer Warnung an ein Fernwartungssystem und das Ab- oder
Anschalten der Windkraftanlage in Abhängigkeit von den festgestellten
Bedingungen.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Stabilisierungsvorrichtung
für Windkraftanlagen
sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung. Die Vorrichtung
umfasst eine Sensoreinheit mit mindestens einem ersten Sensor 16 zum
Messen eines Grundwasserpegels. Das vom Sensor bzw. der Sensoreinheit
abgegebene Signal wird an eine Steuereinheit 4 der Windkraftanlage
gesendet. Im Falle eines für
die Statik der Windkraftanlage kritischen Grundwasserpegels wird
ein Abschaltsignal generiert.
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Die
im vorliegenden Dokument verwendeten Begriffe und Formulierungen
dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und mit der Verwendung
dieser Begriffe und Formulierungen wird nicht die Absicht verfolgt, Äquivalente
der dargestellten und beschriebenen Merkmale ganz oder teilweise
vom Geltungsbereich der Erfindung auszuschließen. Nachdem die Erfindung
in dieser Weise detailliert beschrieben wurde, sollte nachvollziehbar
sein, dass vielfältige
Modifikationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden
können,
ohne dass vom Geist und Geltungsbereich der folgenden Ansprüche abgewichen
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Stabilisierungsvorrichtung
für Windkraftanlagen
sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung. Die Vorrichtung
umfasst eine Sensoreinheit mit mindestens einem ersten Sensor 16 zum
Messen eines Grundwasserpegels. Das vom Sensor bzw. der Sensoreinheit
abgegebene Signal wird an eine Steuereinheit 4 der Windkraftanlage
gesendet. Im Falle eines für
die Statik der Windkraftanlage kritischen Grundwasserpegels wird
ein Abschaltsignal generiert.
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