DE19758857B4 - Wind generator - has instantaneous stress on rotor blade monitored with control system to adjust position of blade to position appropriate for that stress - Google Patents

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Abstract

The wind generator (1) has a rotor (18) with at least one rotor blade (16) for converting the wind flow energy into mechanical energy. An adjustment device (34,36) adjusts the rotor blades individually, and a generator is coupled to the rotor to convert the mechanical energy into electrical energy. The instantaneous stress placed on sections of the wind generator installation is determined by a measurement system (38,40). A control system (8) determines the appropriate position of the rotor blade to provide this stress and adjusts it accordingly through the adjustment device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor mit mindestens einem Rotorblatt zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie, mit einer Verstellvorrichtung zur individuellen Verstellung mindestens eines Rotorblattes, mit einem Generator zur Umwandlung der mechanischen Energie des Rotors in elektrische Energie und mit einer Wirkverbindung zwischen dem Rotor und dem Generator zur Übertragung der mechanischen Energie des Rotors auf den Generator.The invention relates to a wind energy plant with a rotor having at least one rotor blade for converting the flow energy of the wind into mechanical energy, with an adjusting device for the individual adjustment of at least one rotor blade, with a generator for converting the mechanical energy of the rotor into electrical energy and with an operative connection between the rotor and the generator for transmitting the mechanical energy of the rotor to the generator.

Derartige Windenergieanlagen gehören zum Stand der Technik. So zeigt z. B. das deutsche Fachbuch ”Windkraftanlagen” von Erich Hau, Springer-Verlag, 2. Aufl., 1996, ISBN 3-540-57430-1, Seiten 52, 175, 222 bis 242, 269, 320 derartige Windenergieanlagen. Bei diesen bekannten Windenergieanlagen lässt sich mit Hilfe einer Rotorblatteinstellwinkelregelung die Rotordrehzahl und die Leistungsabgabe regeln. Darüber hinaus dient die bekannte Rotorblatteinstellwinkelregelung dem Schutz gegen Überdrehzahl des Rotors bei hohen Windgeschwindigkeiten oder bei einem Netzausfall, bei dem das Generatormoment plötzlich wegfällt. In beiden Fällen geht es darum, die Windenergieanlage gegen Zerstörung durch einen zu hoch drehenden Rotor zu schützen.Such wind turbines are state of the art. So z. As the German textbook "Wind Turbines" by Erich Hau, Springer-Verlag, 2nd ed., 1996, ISBN 3-540-57430-1, pages 52, 175, 222 to 242, 269, 320 such wind turbines. In these known wind turbines can be controlled by means of a Rotorblatteinstellwinkelregelung the rotor speed and the power output. In addition, the known Rotorblatteinstellwinkelregelung serves to protect against overspeed of the rotor at high wind speeds or power failure, in which the generator torque is suddenly eliminated. In both cases, the aim is to protect the wind turbine against destruction by a rotor rotating too high.

Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Wege, mit Hilfe der Blattverstellung eine Reduzierung der Rotordrehzahl herbeizuführen: zum einen lässt sich der Blatteinstellwinkel in Richtung kleinerer aerodynamischer Anstellwinkel reduzieren, um somit die Leistungsaufnahme des Rotors zu reduzieren. Andererseits ist es möglich, durch die Verstellung des Rotorblatteinstellwinkels zu größeren Einstellwinkeln den kritischen aerodynamischen Anstellwinkel, den sogenannten Stall-Zustand zu erreichen. Letztere Möglichkeit bietet den Vorteil der Verstellung auf kürzerem Weg, bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass der Strömungsabriss (Stall) mit hohen Belastungen für den Rotor und die gesamte Windenergieanlage verbunden ist. Beiden Einstellmöglichkeiten ist jedoch gemeinsam, dass sie nur eine mittlere, auf die gesamte Windenergieanlage einwirkende Windgeschwindigkeit bzw. eine bestimmte Grenzrotordrehzahl als Startsignal zur Blattwinkeleinstellung berücksichtigen.There are essentially two ways to bring about a reduction in the rotor speed with the help of the blade adjustment: on the one hand, the blade pitch can be reduced in the direction of smaller aerodynamic angle of attack, thus reducing the power consumption of the rotor. On the other hand, it is possible to achieve the critical aerodynamic angle of attack, the so-called stall condition, by adjusting the rotor blade pitch angle to larger setting angles. The latter possibility offers the advantage of adjustment on a shorter path, but has the disadvantage that the stall (stall) with high loads for the rotor and the entire wind turbine is connected. Both setting options, however, have in common that they take into account only a medium wind speed acting on the entire wind turbine or a certain limiting rotor speed as a start signal for blade angle adjustment.

Beide vorgenannten Möglichkeiten des Standes der Technik berücksichtigen nicht, dass es insbesondere bei einem großen Rotordurchmesser zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Windverhältnisse über die Rotorfläche kommen kann. Dies hat wiederum unterschiedliche Belastungen auf einzelne Rotorblätter, sowie asymmetrische Belastungen für den Antriebsstrang der Windenergieanlage, d. h. die Nabe, die Antriebswelle und die jeweiligen Lager zur Folge. Derartige unterschiedliche asymmetrische Belastungen treten jedoch nicht nur erst ab einer bestimmten Rotordrehzahl oder einer bestimmten Windgeschwindigkeit auf, sondern finden ständig auch während des normalen Betriebs der Windenergieanlage statt. Die bisher aus dem Stand der Technik bekannte Blattwinkelregelung kann daher nicht auf Windgeschwindigkeitsschwankungen und damit verbundene Lastschwankungen im Rotorbereich reagieren, da bei den bekannten Anlagen eine einheitliche, synchrone Verstellung der Rotorblätter stattfindet.Both of the aforementioned possibilities of the prior art do not take into account that, especially with a large rotor diameter, an uneven distribution of the wind conditions over the rotor surface can occur. This in turn has different loads on individual rotor blades, as well as asymmetric loads on the drive train of the wind turbine, d. H. the hub, the drive shaft and the respective bearings result. However, such different asymmetric loads not only occur only from a certain rotor speed or a certain wind speed, but also constantly take place during normal operation of the wind turbine. The previously known from the prior art pitch control can therefore not respond to wind speed fluctuations and associated load fluctuations in the rotor area, as in the known systems, a uniform, synchronous adjustment of the rotor blades takes place.

Bei neueren Anlagen (siehe insbesondere S. 238 des oben genannten Fachbuches) ist zwar zum einen eine individuelle elektrische Verstellung jedes einzelnen Rotorblattes vorgeschlagen worden; jedoch findet auch dieser Vorschlag unter der Annahme einer mittleren Windgeschwindigkeit statt, die auf die Windenergieanlage einwirkt. Mit dieser und der weiteren Annahme, dass die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt, wird dann eine feste, umlaufzyklische Korrektur des Rotorblatteinstellwinkels vorgeschlagen, um die Wechsellasten auf der Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe zumindest teilweise ausregeln zu können. Auch bei dieser Rotorblatteinstelltechnik ist es nachteilig, dass der Einstellwinkel der Rotorblätter fest vorgegeben ist und daher nicht auf lokale und vorübergehende Änderungen der Windgeschwindigkeit in einem Teilbereich des Rotors reagieren kann. Auch bei diesem Vorschlag findet daher bei über der Rotorfläche gesehenen lokalen Spitzen in der Windgeschwindigkeit eine asymmetrische und somit lebensdauerverkürzende Belastung der Bestandteile der Windenergieanlage statt. Als weiteren Stand der Technik wird auf die DE 29 22 972 C2 , die DE 30 00 678 A1 , die DE 33 08 566 C2 , die DE 35 18 403 A1 und die DD 2 52 640 A1 verwiesen.In newer systems (see in particular p. 238 of the above-mentioned textbook), although an individual electrical adjustment of each individual rotor blade has been proposed on the one hand; However, this proposal also takes place assuming a mean wind speed acting on the wind turbine. With this and the further assumption that the wind speed increases with altitude, a fixed, orbital correction of the rotor blade pitch is then proposed in order to be able to at least partially compensate for the alternating loads on the increase in wind speed with altitude. In this rotor blade adjustment technique, too, it is disadvantageous that the setting angle of the rotor blades is fixed and therefore can not react to local and temporary changes in the wind speed in a partial region of the rotor. In this proposal too, therefore, when the local peaks in the wind speed seen above the rotor surface are subjected to an asymmetrical and thus life-shortening load on the components of the wind energy plant. As another state of the art is on the DE 29 22 972 C2 , the DE 30 00 678 A1 , the DE 33 08 566 C2 , the DE 35 18 403 A1 and the DD 2 52 640 A1 directed.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Probleme zu vermeiden und eine Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, bei der die Belastungen auf die Windenergieanlage reduziert werden, die aufgrund lokaler und vorübergehender Spitzen in der Windgeschwindigkeit in Teilbereichen der Rotorfläche auftreten können.The object of the invention is therefore to avoid the above-mentioned problems and to provide a wind turbine in which the loads on the wind turbine are reduced, which can occur due to local and temporary peaks in the wind speed in partial areas of the rotor surface.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Windenergieanlage gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved with a wind turbine according to claim 1.

Durch die erfindungsgemäße Windenergieanlage wird es ermöglicht, mit Hilfe der Verstellvorrichtung zur individuellen Verstellung mindestens eines Rotorblattes die Windenergieanlage auf momentane, nur an einem Teil der Windenergieanlage lokal anliegende Beanspruchungen, von den Messmitteln ermittelt, mit Hilfe der Steuermittel abzustimmen. Somit wird vorteilhaft erreicht, dass lokale Spitzen in der Belastung der Rotorblätter, der Nabe, des Achsantriebs und der verwendeten Lager vermieden werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Lebensdauer der Windenergieanlage heraufgesetzt bzw. nicht unbewusst verkürzt wird, da asymmetrische und die Lebensdauer verkürzende Beanspruchungen von Teilen der Windenergieanlage weitgehend vermieden werden.The wind power plant according to the invention makes it possible, with the aid of the adjusting device for individual adjustment of at least one rotor blade, to tune the wind energy installation to instantaneous stresses which are locally applied only to a part of the wind energy plant, determined by the measuring means, with the aid of the control means. Thus, it is advantageously achieved that local peaks in the load of the rotor blades, the hub, the final drive and the bearings used are avoided. This in turn has the consequence that the life of the wind turbine is increased or not unconsciously shortened, since asymmetric and life shortening stresses of parts of the wind turbine are largely avoided.

Darüber hinaus ermöglicht es die erfindungsgemäße Windenergieanlage die momentane Verteilung der Windgeschwindigkeiten auf der Rotorfläche optimal auszunützen und daher zu einer erhöhten Leistungsausbeute der Windenergieanlage beizutragen, da alle Rotorblätter immer mit dem gewünschten und somit optimalen Blattwinkel gefahren werden und daher der Wirkungsgrad pro Rotorblatt gegenüber dem Wirkungsgrad der Windenergieanlagen aus dem Stand der Technik ansteigt.In addition, the wind turbine according to the invention makes it possible to optimally exploit the instantaneous distribution of wind speeds on the rotor surface and therefore to contribute to an increased power output of the wind energy plant, since all rotor blades are always driven with the desired and thus optimum blade angle and therefore the efficiency per rotor blade compared to the efficiency of Wind turbines of the prior art increases.

Besonders bevorzugt ist es, dass die Stellung des Rotorblattes oder der Rotorblätter ununterbrochen der momentanen Beanspruchung der Windenergieanlage angepasst wird. Auf diese Art und Weise lässt sich sicherstellen, dass die Windenergieanlage kontinuierlich im optimalen Arbeitsbereich gefahren wird und gleichzeitig vor Belastungsspitzen, ausgelöst durch lokal im Rotorbereich vorhandene Spitzen in der Windgeschwindigkeit, geschützt ist.It is particularly preferred that the position of the rotor blade or the rotor blades is continuously adapted to the current load of the wind turbine. In this way, it is possible to ensure that the wind energy plant is continuously driven in the optimum working range and at the same time protected against load peaks caused by peaks in the wind speed locally in the rotor area.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermitteln die Messmittel zur Ermittlung der lokalen Beanspruchung eines Rotorblattes eine am Rotorblatt vorherrschende Windgeschwindigkeit. Zu diesem Zweck weisen die Messmittel bevorzugt ein auf dem Rotorblatt angebrachtes Anemometer auf. Dadurch, dass das Anemometer direkt auf dem Rotorblatt angeordnet ist, ist eine sehr präzise Steuerung der Winkelstellung des Rotorblattes als Reaktion auf eine erhöhte oder niedrigere Windgeschwindigkeit möglich. Denn durch die Messung der Windgeschwindigkeit direkt an dem Ort, an dem auch eine Verstellung der Windenergieanlage stattfindet, nämlich direkt am zu verstellenden Rotorblatt, ist eine schnelle und genaue Anpassung der Rotorblattwinkelstellung an lokale Veränderungen der Windgeschwindigkeit möglich.In a preferred embodiment of the invention, the measuring means for determining the local load of a rotor blade determine a prevailing at the rotor blade wind speed. For this purpose, the measuring means preferably have an anemometer mounted on the rotor blade. By placing the anemometer directly on the rotor blade, very precise control of the angular position of the rotor blade in response to increased or decreased wind speed is possible. Because by measuring the wind speed directly at the place where an adjustment of the wind turbine takes place, namely directly on the rotor blade to be adjusted, a quick and accurate adjustment of the rotor blade angle position to local changes in wind speed is possible.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Messmittel eine in einem Teilabschnitt des Rotorbereichs vorherrschende mechanische Last ermitteln. Bei dieser Ausführungsform wird durch die direkte Ermittlung der in einem Teilabschnitt des Rotors anliegenden mechanischen Belastung den Steuermitteln eine präzise Information gegeben, mit deren Hilfe sie unter Berücksichtigung der vorgegebenen Geometrie-, Last- und/oder Materialdaten eine gewünschte Stellung mindestens eines verstellbaren Rotorblattes ermitteln können.A further preferred embodiment is characterized in that the measuring means determine a mechanical load prevailing in a partial section of the rotor region. In this embodiment, by the direct determination of the present in a section of the rotor mechanical load the control means is given precise information, with the aid of which they can determine a desired position of at least one adjustable rotor blade taking into account the given geometry, load and / or material data ,

Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist es, wenn die Messmittel eine in dem verstellbaren Rotorblatt vorherrschende mechanische Last ermitteln. Denn indem die Last direkt im Rotorblatt ermittelt wird, kann ähnlich wie bei der oben genannten direkten Ermittlung der Windgeschwindigkeit am Rotorblatt, eine sehr präzise Information über das Windstärkenprofil über der Rotorfläche gewonnen werden. Mit einer derart genauen Information sind die Steuermittel dann in der Lage, eine besonders genaue Reaktion der Verstellvorrichtung zu steuern, so dass eine vorhandene Lastspitze in einem Teilabschnitt des Rotors sehr schnell abgebaut werden kann.It is particularly advantageous in this embodiment if the measuring means determine a mechanical load prevailing in the adjustable rotor blade. Because the load is determined directly in the rotor blade, similar to the above-mentioned direct determination of the wind speed on the rotor blade, very precise information about the wind force profile over the rotor surface can be obtained. With such accurate information, the control means are then able to control a particularly accurate reaction of the adjustment device, so that an existing load peak in a section of the rotor can be degraded very quickly.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer Rotornabe zur Aufnahme der Rotorblätter weist Messmittel auf, die eine in der Rotornabe vorhandene mechanische Last messen. Auch bei dieser Ausführungsform lässt sich eine schnelle Anpassung der Rotorblätter an die veränderte Lastsituation vornehmen. Gleiches gilt für Ausführungsformen mit einem Achszapfen zur Lagerung des Rotors, bei dem die Messmittel eine in dem Achszapfen vorherrschende Last ermitteln und bei einer Windenergieanlage mit einer Antriebswelle, die Rotor und Generator unmittelbar oder über ein Getriebe miteinander verbindet, bei der die Messmittel eine in der Antriebswelle oder in den Lagern der Antriebswelle oder des Achszapfens vorherrschende Last ermitteln. Alle vorgenannten Ausführungsformen ermöglichen eine genaue Bestimmung der lokalen Lastverhältnisse im Rotorbereich und somit eine genaue Steuerung der Verstellvorrichtung mittels der Steuermittel. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die Messmittel zur Messung der mechanischen Last Dehnungsstreifen aufweisen, die an den jeweiligen belasteten Teilen der Windenergieanlage angebracht sind. Das heißt, die Dehnungsstreifen können auf dem Rotorblatt, im Innern des Rotorblattes, auf der Rotornabe oder im Innern der Rotornabe, auf dem Achszapfen oder im Innern des Achszapfens, auf der Antriebswelle oder im Innern der Antriebswelle oder an den Lagern angebracht sein. In allen vorgenannten Anbringungsvarianten ist eine einfache Bestimmung der vorhandenen mechanischen Belastung und somit die erfindungsgemäße individuelle Verstellung des Rotorblattes möglich.A further embodiment of the invention with a rotor hub for receiving the rotor blades has measuring means which measure a mechanical load present in the rotor hub. In this embodiment, too, a rapid adaptation of the rotor blades to the changed load situation can be carried out. The same applies to embodiments with a journal for supporting the rotor, in which the measuring means determine a prevailing in the journal load and in a wind turbine with a drive shaft, the rotor and generator directly or via a transmission with each other, in which the measuring means in the Determine the drive shaft or the load prevailing in the bearings of the drive shaft or journal. All of the aforementioned embodiments allow an accurate determination of the local load conditions in the rotor region and thus a precise control of the adjusting device by means of the control means. It is particularly preferred that the measuring means for measuring the mechanical load have stretch marks which are attached to the respective loaded parts of the wind turbine. That is, the strain gauges may be mounted on the rotor blade, inside the rotor blade, on the rotor hub or inside the rotor hub, on the journal or inside the journal, on the drive shaft or inside the drive shaft or on the bearings. In all the aforementioned mounting variants, a simple determination of the existing mechanical load and thus the individual adjustment of the rotor blade according to the invention is possible.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist Messmittel auf, die einen an dem zu verstellenden Rotorblatt vorherrschenden Anströmwinkel des Windes ermitteln. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, auch die Windrichtung des anströmenden Windes relativ zum zu verstellenden Rotorblatt zu bestimmen. Mit Hilfe dieses Messwertes können die Steuermittel auch auf eine in einem Teilbereich des Rotors vorhandene Windrichtungsänderung reagieren.A further preferred embodiment of the invention has measuring means which determine a prevailing at the rotor blade to be adjusted angle of attack of the wind. Thereby, it is advantageously possible to determine the wind direction of the oncoming wind relative to the rotor blade to be adjusted. With the aid of this measured value, the control means can also respond to an existing in a portion of the rotor wind direction change.

Insbesondere in Verbindung mit den oben genannten Lastmessmitteln erhalten die Steuermittel ein sehr genaues Bild über die momentanen Windverhältnisse über der Rotorfläche: durch die Lastmessmittel können die Steuermittel eine absolut vorhandene Last berücksichtigten und durch die Messmittel zur Bestimmung des Anströmwinkels kann darüber hinaus auch – unter Berücksichtigung der tatsächlichen Rotorblattstellung – eine genaue Bestimmung der Größe des zu verstellenden Winkels vorgenommen werden. Eine genaue Anpassung bei sich rasch ändernden Windverhältnissen ist somit durch die kombinierte Anwendung von Anströmwinkelmessung und Lastmessung in den Rotorblättern vorteilhaft sichergestellt. Dabei ist es besonders bevorzugt, die Messung des Anströmwinkels durch eine am Rotorblatt angebrachte Windfahne vorzunehmen. In particular in connection with the above-mentioned load-measuring means, the control means obtain a very accurate picture of the instantaneous wind conditions over the rotor surface: by the load-measuring means, the control means can take into account an absolutely existing load and, in addition, by the measuring means for determining the angle of attack actual rotor blade position - an accurate determination of the size of the angle to be adjusted can be made. Accurate adaptation to rapidly changing wind conditions is thus advantageously ensured by the combined use of approach angle measurement and load measurement in the rotor blades. It is particularly preferred to carry out the measurement of the angle of attack by a wind vane mounted on the rotor blade.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Teilabschnitt eines Rotorblattes asynchron zu mindestens einem weiteren verstellbaren Teilabschnitt eines anderen Rotorblattes verstellbar ist. Somit lässt sich insbesondere bei großen Rotordurchmessern der konstruktive Aufwand verringern, indem bevorzugt der äußere Teilabschnitt des Rotorblattes, da sich die Leistungserzeugung des Rotors weitgehend auf den äußeren Blattbereich konzentriert, verstellbar ausgeführt wird.A further preferred embodiment of the invention is characterized in that a subsection of a rotor blade is adjustable asynchronously to at least one further adjustable subsection of another rotor blade. Thus, in particular with large rotor diameters, the constructive effort can be reduced by preferably the outer section of the rotor blade, since the power generation of the rotor is largely concentrated on the outer blade area, is made adjustable.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung lässt sich die für eine bestimmte momentane Beanspruchung gewünschte Stellung des oder der Rotorblätter über mit den Steuermitteln verbundene Eingabemittel vorgeben. Auf diese Art und Weise kann die erfindungsgemäße Windenergieanlage vor Ort nach dem Aufstellen an gegebenenfalls unvorhergesehene Windverhältnisse oder nach einer Reparatur an geänderte Materialstärken oder an geänderte Rotorblattprofile angepasst werden.In an advantageous embodiment of the invention, the desired position of the rotor blade (s) for a given instantaneous stress can be preset via input means connected to the control means. In this way, the wind power plant according to the invention can be adapted on site after installation to possibly unforeseen wind conditions or after repair to changed material thicknesses or to modified rotor blade profiles.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Ist-Wert der Rotorblattwinkelstellung von einem Verstellgetriebe abzugreifen, welches zusammen mit einem Verstellmotor die Verstellvorrichtung bildet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Steuermittel die Verstellung des Rotorblattes praktisch gleichzeitig mit der Erfassung der Messwerte aus den Dehnungsstreifen, dem Anemometer oder der Windfahne nach Abgleich mit dem Ist-Wert des Verstellgetriebes mittels des Verstellmotors vornehmen. Durch eine solche instantane Reaktion auf Belastungsänderungen im Bereich der Rotorblätter ist eine wirksame Vermeidung von schädlichen Belastungen oder einseitigen Belastungen des Rotors gewährleistet.It has proved to be particularly advantageous to pick up the actual value of the rotor blade angle position from an adjusting gear which forms the adjusting device together with an adjusting motor. It is particularly advantageous if the control means make the adjustment of the rotor blade virtually simultaneously with the detection of the measured values from the stretch marks, the anemometer or the wind vane after adjustment with the actual value of the variable by means of the adjustment. By such an instantaneous response to changes in load in the rotor blades effective prevention of harmful loads or one-sided loads of the rotor is guaranteed.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Anpassung einer Windenergieanlage an nur in einem lokalen Teilabschnitt der Windenergieanlage vorherrschende momentane Beanspruchungen zeichnet sich dadurch aus, dass von Messmitteln die momentane Belastung eines Teils der Windenergieanlage erfasst wird und von Steuermitteln eine für die momentane Beanspruchung gewünschte Stellung mindestens eines der Rotorblätter ermittelt wird und dass entsprechend der Rotorblatt mit Hilfe der Verstellvorrichtung entsprechend verstellt wird, wobei die Verstellvorrichtung und die Messmittel mit den Steuermitteln mit Hilfe von Verbindungsmitteln verbunden sind. Durch dieses einfache Verfahren lässt sich eine wirksame Erhöhung von Lebensdauer und Effizienz der erfindungsgemäßen Windenergieanlage erzielen.An advantageous method for adapting a wind turbine to prevailing only in a local portion of the wind turbine instantaneous stresses is characterized in that the current load of a portion of the wind turbine is detected by measuring means and determined by control means a desired position for the current load of at least one of the rotor blades is and that according to the rotor blade with the aid of the adjusting device is adjusted accordingly, wherein the adjusting device and the measuring means are connected to the control means by means of connecting means. This simple method makes it possible to achieve an effective increase in the service life and efficiency of the wind energy plant according to the invention.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Further advantageous embodiments are described in the subclaims.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:An embodiment of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:

1 ein teilweiser Schnitt durch eine erfindungsgemäße Windenergieanlage ist; 1 a partial section through a wind turbine according to the invention is;

2 eine Frontalansicht auf eine erfindungsgemäße Windenergieanlage ist; und 2 is a frontal view of a wind turbine according to the invention; and

3 ein Blockschaltbild, welches die Steuerung des verstellbaren Rotorblattes bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt. 3 a block diagram illustrating the control of the adjustable rotor blade in a preferred embodiment of the invention.

Die 1 zeigt eine Windenergieanlage 1 in einem teilweisen Schnitt. Die Windenergieanlage 1 ruht auf einem (nur teilweise dargestellten) Turm 2. Am oberen Ende des Turmes 2 ist ein Gehäuse 4 auf den Turm aufgesetzt. Unterhalb des Gehäuses 4 liegt eine am Turm angebrachte Wartungsplattform 6. Das Gehäuse 4 weist in seinem (in der Zeichnung geschlossenen, rechts dargestellten) hinteren Teil einen (nicht dargestellten) Generator und ein gestrichelt dargestelltes Steuergerät 8 auf. Der Generator befindet sich hinter einer Auswölbung 10 des Gehäuses 4 und ist über Verbindungselemente 12 mit seinem (nicht dargestellten) Läufer an der Rotornabe 14 angeflanscht. Die Rotornabe 14 und die (nur teilweise dargestellten) Rotorblätter 16 bilden zusammen den Rotor 18. Der Rotor 18 ist mit seiner Rotornabe 14 über Lager 20 auf einem Achszapfen 22 gelagert. Der Achszapfen 22 ragt durch eine in der Rotornabe 14 vorgesehene Öffnung 24 durch die Rotornabe 14 hindurch. Der Achszapfen 22 ist turmseitig innerhalb des Gehäuses 4 mit dem Turm 2 verbunden. Von dem im wesentlichen vertikal aufzustellenden Turm 2 ragt der Achszapfen 22 gegenüber der Horizontalen leicht nach oben gekippt ab. Der Achszapfen 22 ist mit dem (nicht dargestellten) Stator des Generators verbunden und ragt durch den Läufer des Generators und durch die Öffnung 24 der Rotornabe 14 hindurch und wird nach seinem Austritt aus der Öffnung 24 auf der von dem Turm 2 abgewandten Seite des Rotors 18 von einem Abschlussstück 26 abgeschlossen.The 1 shows a wind turbine 1 in a partial cut. The wind turbine 1 resting on a (partially shown) tower 2 , At the top of the tower 2 is a housing 4 put on the tower. Below the case 4 There is a maintenance platform attached to the tower 6 , The housing 4 has in its (closed in the drawing, shown on the right) rear part of a generator (not shown) and a dashed line control unit 8th on. The generator is behind a bulge 10 of the housing 4 and is about fasteners 12 with his (not shown) runners on the rotor hub 14 flanged. The rotor hub 14 and the (only partially shown) rotor blades 16 together form the rotor 18 , The rotor 18 is with his rotor hub 14 over camp 20 on a journal 22 stored. The axle journal 22 protrudes through one in the rotor hub 14 provided opening 24 through the rotor hub 14 therethrough. The axle journal 22 is tower side within the housing 4 with the tower 2 connected. From the tower to be erected substantially vertically 2 protrudes the axle journal 22 slightly tilted upwards from the horizontal. The axle journal 22 is connected to the stator of the generator (not shown) and projects through the rotor of the generator and through the opening 24 the rotor hub 14 through and out of the opening after it exits 24 on the from the tower 2 opposite side of the rotor 18 from a final piece 26 completed.

Wiederum senkrecht zur Achse des Achszapfens 22 erstrecken sich die Rotorblätter 16 nach außen. Dabei treten die Rotorblätter 16 durch Öffnungen 28 im Vordergehäuse 30 hindurch. Das Vordergehäuse 30 ist beweglich gegenüber dem fest mit dem Turm 2 verbunden Gehäuse 4 und fest mit der Nabe 14 verbunden.Again perpendicular to the axis of the axle journal 22 extend the rotor blades 16 outward. In doing so, the rotor blades are kicking 16 through openings 28 in the front housing 30 therethrough. The front housing 30 is movable opposite the fixed with the tower 2 connected housing 4 and stuck with the hub 14 connected.

Die Rotorblätter 16 sind über eine Flanschverbindung mit der Rotornabe 14 drehbar um ihre Längsachse verbunden. Ein Verstellmotor 34 ist an der Flanschverbindung 32 angebracht und verstellt über ein Verstellgetriebe 36 das Rotorblatt 16. Der Verstellmotor 34 und das Verstellgetriebe 36 sind über elektrische (in 3 dargestellte) Verbindungen 50 bzw. 46 mit dem Steuergerät 8 verbunden. Das Vordergehäuse 30 umschließt die Rotornabe 14 mit den Lagern 20, der Flanschverbindung 32, dem Verstellmotor 34 und dem Verstellgetriebe 36 wetterdicht. Das Vordergehäuse 30 weist eine im Querschnitt im wesentlichen halbkugelförmige Form auf.The rotor blades 16 are via a flange connection with the rotor hub 14 rotatably connected about its longitudinal axis. An adjusting motor 34 is at the flange connection 32 attached and adjusted via an adjusting gear 36 the rotor blade 16 , The adjusting motor 34 and the adjusting gear 36 are via electrical (in 3 shown) compounds 50 respectively. 46 with the control unit 8th connected. The front housing 30 encloses the rotor hub 14 with the camps 20 , the flange connection 32 , the adjusting motor 34 and the adjusting gear 36 weathertight. The front housing 30 has a cross-sectionally substantially hemispherical shape.

An dem Achszapfen 22 befinden sich Dehnungsstreifen 38. An der Rotornabe 14 befinden sich Dehnungsstreifen 40. Die Dehnungsstreifen 38 sind über eine elektrische Verbindung 42 mit dem Steuergerät 8 verbunden. Die Dehnungsstreifen 40 sind über eine (in 3 dargestellte) elektrische Verbindung 48 mit dem Steuergerät 8 verbunden.At the axle journal 22 there are stretch marks 38 , At the rotor hub 14 there are stretch marks 40 , The stretch marks 38 are via an electrical connection 42 with the control unit 8th connected. The stretch marks 40 are about one (in 3 shown) electrical connection 48 with the control unit 8th connected.

Die 2 zeigt Teile der Windenergieanlage 1 der 1 von der Rotorseite her gesehen. 2 zeigt den Turm 2 mit der an seiner Spitze angebrachten Rotornabe 14. Von der Rotornabe 14 gehen sternförmig drei Rotorblätter 16 aus. Die Rotorblätter 16 sind über die Flanschverbindungen 32 mit der Rotornabe 14 verbunden. Zur Verdeutlichung der Darstellung sind das Vordergehäuse 30, der Verstellmotor 34, das Verstellgetriebe 36, der Achszapfen 22, die Öffnung 24 und das Abschlussstück 26 aus der 1 nicht dargestellt.The 2 shows parts of the wind turbine 1 of the 1 seen from the rotor side. 2 shows the tower 2 with the rotor hub attached to its tip 14 , From the rotor hub 14 go star-shaped three rotor blades 16 out. The rotor blades 16 are about the flange connections 32 with the rotor hub 14 connected. To clarify the illustration, the front housing 30 , the variable motor 34 , the adjusting gear 36 , the axle journal 22 , the opening 24 and the final piece 26 from the 1 not shown.

An den Rotorblättern 16 sind Windfahnen 44 zur Messung des Anströmwinkels des auf die Rotorblätter 16 treffenden Windes angebracht. Die Windfahnen 44 sind über (in 3 dargestellte) elektrische Verbindung 52 mit dem Steuergerät 8 (1) verbunden.At the rotor blades 16 are wind flags 44 for measuring the angle of attack of the rotor blades 16 appropriate wind attached. The wind banners 44 are over (in 3 shown) electrical connection 52 with the control unit 8th ( 1 ) connected.

Anhand des Blockschaltbildes der 3 wird im folgenden die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Windenergieanlage beschrieben.Based on the block diagram of the 3 the operation of the wind turbine according to the invention will be described below.

Während des Betriebes der Windenergieanlage 1 rotiert der Rotor 18 um die Achse des Achszapfens 22. Dabei weisen die Rotorblätter 16 eine bestimmte, mit Hilfe des Steuergerätes 8, des Verstellmotors 34 und des Verstellgetriebes 36 vorgegebene Winkelstellung relativ zur Ebene, in der die Rotorblätter 16 rotieren, der Rotorebene auf. Der momentane Winkel αmomentan der Rotorblätter 16 relativ zur Rotorebene wird dem Steuergerät 8 von dem Verstellgetriebe 16 als Istwert der momentanen Stellung des Rotorblattes 16 über eine elektrische Verbindung 46 übermittelt. Gleichzeitig erhält das Steuergerät 8 von den Dehnungsstreifen 38, die an dem Achszapfen 22 befestigt sind, Messwerte über die momentane Belastung des Achszapfens 22 über die Leitung 42 (”Lastsignal Achszapfen” der 3). Ebenfalls gleichzeitig mit der Übermittlung des momentanen Stellwinkels der Rotorblätter 16 erhält das Steuergerät 8 von den Dehnungsstreifen 40 auf der Rotornabe über die Leitung 48 Messwerte über die aktuelle Belastung der Rotornabe 14 (”Lastsignal Nabe” der 3). Stellt das Steuergerät 8 mit Hilfe der Dehnungsstreifen 38, 40 eine einseitige Belastung des Rotors fest, so gibt das Steuergerät 8 unter Berücksichtigung des momentanen Stellwinkels αmomentan der Rotorblätter 36 und des momentanen, von der Windfahne 44 ermittelten Anströmwinkels β ein Signal αneu über die Leitung 50 an den Verstellmotor 34 zur Verstellung des entsprechenden Rotorblattes 16 um die Differenz αneu – αmomentan.During operation of the wind turbine 1 rotates the rotor 18 about the axis of the axle journal 22 , This shows the rotor blades 16 a specific, with the help of the control unit 8th , the adjusting motor 34 and the variable speed gearbox 36 predetermined angular position relative to the plane in which the rotor blades 16 rotate, the rotor plane up. The instantaneous angle α momentarily the rotor blades 16 relative to the rotor plane is the controller 8th from the adjusting mechanism 16 as the actual value of the current position of the rotor blade 16 via an electrical connection 46 transmitted. At the same time receives the control unit 8th from the stretch marks 38 attached to the axle journal 22 are fixed, measured values on the current load of the axle journal 22 over the line 42 ("Load signal journals" of 3 ). Also simultaneously with the transmission of the current angle of the rotor blades 16 receives the control unit 8th from the stretch marks 40 on the rotor hub over the line 48 Measured values about the current load of the rotor hub 14 ("Load signal hub" of 3 ). Represents the controller 8th with the help of stretch marks 38 . 40 a one-sided load of the rotor fixed, so gives the controller 8th taking into account the instantaneous adjustment angle α momentarily the rotor blades 36 and the current one, from the wind vane 44 determined angle of incidence β a signal α new over the line 50 to the adjusting motor 34 for adjusting the corresponding rotor blade 16 by the difference α new - α currently .

Dadurch dass das Steuergerät 8 kontinuierlich die Messwerte der Dehnungsstreifen 38 und 40 erhält und quasi instantan unter Berücksichtigung des ebenfalls ständig über die Leitung 52 an das Steuergerät 8 übermittelten Anströmwinkels β den Arbeitsbefehl an den Verstellmotor 34 zur Einstellung eines neuen Winkels der Rotorblätter 16 herausgibt, findet on-line mit einer Änderung der Lastverhältnisse im Bereich des Rotors eine Anpassung der Stellung der Rotorblätter 16 statt und somit ein on-line-Ausgleich unsymmetrischer Belastungen des Rotors 18.Because of the control unit 8th continuously the measured values of the stretch marks 38 and 40 receives and almost instantaneously taking into account also constantly over the line 52 to the control unit 8th transmitted inflow angle β the working command to the adjusting motor 34 for adjusting a new angle of the rotor blades 16 publishes on-line with a change in the load conditions in the rotor an adjustment of the position of the rotor blades 16 instead of and thus an on-line compensation unbalanced loads of the rotor 18 ,

Alternativ zu der Messung der momentanen Beanspruchung der Windenergieanlage durch Dehnungsstreifen an Rotornabe und Achszapfen ist auch eine Belastungsmessung direkt an den Rotorblättern durch entsprechende Dehnungsstreifen denkbar.As an alternative to the measurement of the instantaneous load of the wind energy plant by means of stretch marks on the rotor hub and axle journal, a load measurement directly on the rotor blades by means of corresponding expansion strips is also conceivable.

Abschließend sei festgehalten, dass die verschiedenen Signale (das heißt ”Lastsignal Nabe” 40, ”Lastsignal Achszapfen” 38, ”momentaner Winkel αmomentan” 46 und ”Anströmwinkel β” 53), die zur Ermittlung des idealen Blattwinkels herangezogen werden, entweder gemeinsam oder auch alternativ verwendet werden können.Finally, it should be noted that the various signals (ie "load signal hub" 40 , "Load signal journals" 38 , "Current angle α currently " 46 and "angle of attack β" 53 ), which are used to determine the ideal blade angle, can be used either together or alternatively.

Claims (15)

Windenergieanlage (1), mit einem Rotor (18) mit einer Rotornabe (14) und mit mindestens zwei um eine Längsachse verdrehbaren Rotorblättern (16) zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie, mit einer Verstellvorrichtung (34, 36) zur individuellen Verstellung mindestens eines Ratorblattes (16) auf einen gewünschten Blatteinstellwinkel, mit einem Generator zur Umwandlung der mechanischen Energie des Rotors (18) in elektrische Energie, mit einer Wirkverbindung zwischen dem Rotor (18) und dem Generator zur Übertragung der mechanischen Energie des Rotors (18) auf den Generator, und mit einer Antriebswelle oder einem Achszapfen, die ein Lager aufweisen, gekennzeichnet durch Messmittel (38, 40), die die momentane Beanspruchung des Achszapfens oder in dem Lager (20) der Antriebswelle oder des Achszapfens (22) ermitteln, Steuermittel (8), die eine für die Verringerung der momentanen Beanspruchung gewünschte Stellung mindestens eines Rotorblattes (16) ermittelt und das Rotorblatt (16) mit Hilfe der Verstellvorrichtung (34, 36) entsprechend individuell verstellen, wobei mindestens ein Rotorblatt (16) asynchron zu dem oder den anderen verstellbar ist, und Verbindungsmittel (42, 46, 48, 50), die die Verstellvorrichtung (34, 36) und die Messmittel (38, 40, 44) mit den Steuermitteln (8) verbinden.Wind energy plant ( 1 ), with a rotor ( 18 ) with a rotor hub ( 14 ) and with at least two rotatable about a longitudinal axis Rotor blades ( 16 ) for converting the flow energy of the wind into mechanical energy, with an adjusting device ( 34 . 36 ) for individual adjustment of at least one Ratorblattes ( 16 ) to a desired blade pitch, with a generator for converting the mechanical energy of the rotor ( 18 ) into electrical energy, with an operative connection between the rotor ( 18 ) and the generator for transmitting the mechanical energy of the rotor ( 18 ) to the generator, and to a drive shaft or a journal having a bearing, characterized by measuring means ( 38 . 40 ), the current load of the journal or in the bearing ( 20 ) of the drive shaft or journal ( 22 ), control means ( 8th ), which has a desired position for reducing the instantaneous stress of at least one rotor blade ( 16 ) and the rotor blade ( 16 ) with the aid of the adjusting device ( 34 . 36 ) adjust accordingly individually, whereby at least one rotor blade ( 16 ) is adjustable asynchronously to the one or the other, and connecting means ( 42 . 46 . 48 . 50 ), which the adjusting device ( 34 . 36 ) and the measuring means ( 38 . 40 . 44 ) with the tax means ( 8th ) connect. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des Rotorblattes (16) oder der Rotorblätter (16) ständig der momentanen Beanspruchung der Windenergieanlage (1) angepasst wird.Wind energy plant ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the position of the rotor blade ( 16 ) or the rotor blades ( 16 ) constantly the current load of the wind turbine ( 1 ) is adjusted. Windenergieanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (38, 40) zur Ermittlung der Beanspruchung des Rotorblattes (16) eine am Rotorblatt (16) vorherrschende Windgeschwindigkeit ermitteln.Wind energy plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring means ( 38 . 40 ) for determining the load of the rotor blade ( 16 ) one on the rotor blade ( 16 ) determine prevailing wind speed. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (38, 40) zur Messung der Windgeschwindigkeit ein Anemometer aufweisen.Wind energy plant ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the measuring means ( 38 . 40 ) have an anemometer for measuring the wind speed. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anemometer auf dem Rotorblatt (16) angeordnet ist.Wind energy plant ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the anemometer on the rotor blade ( 16 ) is arranged. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (38, 40) zur Messung der Last Dehnungsstreifen (38, 40) aufweisen.Wind energy plant ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the measuring means ( 38 . 40 ) for measuring the load of stretch marks ( 38 . 40 ) exhibit. Windenergieanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (38, 40) einen an dem zu verstellenden Rotorblatt (16) vorherrschenden Anströmwinkel des Windes ermitteln,Wind energy plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring means ( 38 . 40 ) one on the rotor blade to be adjusted ( 16 ) determine the prevailing angle of incidence of the wind, Windenergieanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (38, 40) zur Messung des Anströmwinkels eine an dem Rotorblatt (16) angebrachte Windfahne (44) aufweisen.Wind energy plant ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the measuring means ( 38 . 40 ) for measuring the angle of attack on the rotor blade ( 16 ) mounted wind vane ( 44 ) exhibit. Windenergieanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilabschnitt mindestens eines Rotorblattes (16) asynchron zu mindestens einem weiteren verstellbaren Teilabschnitt desselben Rotorblattes (16) oder zu dem oder den anderen Rotarblättern (16) oder deren Teilabschnitten verstellbar ist.Wind energy plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one section of at least one rotor blade ( 16 ) asynchronous to at least one further adjustable section of the same rotor blade ( 16 ) or to the other or the Rotarblättern ( 16 ) or whose sections can be adjusted. Windenergieanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die für eine bestimmte momentane Beanspruchung gewünschte Stellung des oder der Rotorblätter (16) über mit den Steuermitteln (8) verbundene Eingabemittel vorgeben läßt.Wind energy plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the desired position for a given momentary load of the rotor blade or blades ( 16 ) with the tax means ( 8th ) lets you specify associated input means. Windenergieanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (34, 36) zur Verstellung des Rotorblattes (16) einen Verstellmotor (34) und ein von diesem angetriebenes Verstellgetriebe (36) aufweist, wobei die Steuermittel (8) von dem Verstellgetriebe (36) einen Istwert über die momentane Stellung des Rotorblattes (16) erhalten und über den Verstellmotor (34) das Rotorblatt (16) verstellen.Wind energy plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the adjusting device ( 34 . 36 ) for adjusting the rotor blade ( 16 ) an adjusting motor ( 34 ) and a driven by this adjusting gear ( 36 ), wherein the control means ( 8th ) of the adjusting gear ( 36 ) an actual value over the instantaneous position of the rotor blade ( 16 ) and via the adjusting motor ( 34 ) the rotor blade ( 16 ) adjust. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (8) die Verstellung des Rotorblattes (16) quasi gleichzeitig mit der Erfassung der Messwerte vornehmen.Wind energy plant ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the control means ( 8th ) the adjustment of the rotor blade ( 16 ) almost simultaneously with the acquisition of the measured values. Windenergieanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage (1) vom Horizoritalachsentyp ist.Wind energy plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the wind energy plant ( 1 ) of the horizontal axis type. Windenergieanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) ein Luvläufer ist, Wind energy plant ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor ( 18 ) is a windward runner, Verfahren zur Anpassung einer Windenergieenlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche an nur in einer Antriebswelle oder einem Achszapfen, die ein Lager aufweisen, der Windenergieanlage (1) vorherrschende momentane Beanspruchungen, dadurch gekennzeichnet, dass von Messmitteln (38, 40) die momentane Beanspruchung des Achszapfens, oder in dem Lager der Antriebswelle oder des Achszapfens ermittelt wird, von Steuermitteln (8) eine für die momentane Beanspruchung gewünschte Stellung mindestens eines Rotorblattes (16) ermittelt wird und das Rotorblatt (16) mit Hilfe der Verstellvorrichtung (34, 36) entsprechend individuell verstellt wird, so dass asymmetrische und die Lebensdauer verkürzenden Beanspruchungen von Teilen der Windenergieanlage weitgehend vermieden werden, wobei die Vers- tellvorrichtung (34, 36) und die Messmittel (38, 40) mit den Steuermitteln (8) mit Hilfe von Verbindungsmitteln (42, 46, 48, 50) verbunden werden.Method for adapting a wind energy situation ( 1 ) according to one of the preceding claims on only in a drive shaft or a journal, which have a bearing, the wind turbine ( 1 ) prevailing momentary stresses, characterized in that by measuring means ( 38 . 40 ) the momentary load of the journal, or is determined in the bearing of the drive shaft or the journal, by control means ( 8th ) a desired position for the momentary stress of at least one rotor blade ( 16 ) and the rotor blade ( 16 ) with the help of Adjustment device ( 34 . 36 ) is adjusted accordingly individually, so that asymmetric and life-shortening stresses of parts of the wind turbine are largely avoided, wherein the displacement device ( 34 . 36 ) and the measuring means ( 38 . 40 ) with the tax means ( 8th ) by means of connecting means ( 42 . 46 . 48 . 50 ) get connected.
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