DE19934415A1

DE19934415A1 - Optimierungseinrichtung bzw. Optimierungsstrategie zur Ertragssteigerung bei Windenergieanlagen durch genauere Azimutnachführung

Info

Publication number: DE19934415A1
Application number: DE19934415A
Authority: DE
Inventors: Dieter Frey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: DE19934415B4

Abstract

Die Windnachführung von modernen Windenergieanlagen ist nicht optimal. Die verwendeten Sensoren für die Windrichtung sind grob und die Windnachführung wird zeitlich gesteuert, d. h. wird der festgelegte Mittelsektor für eine vorgegebene Zeitspanne verlassen, so wird der Rotor dem Wind nachgeführt. Der Mittelsektor ist recht breit, teilweise Y 10 . Einziges Entscheidungskriterium ist die Windrichtung. DOLLAR A Es ist eine 3%-5% Steigerung des Energieertrages möglich, wenn der Winkel zwischen Windrichtung und Rotorachse genauer und regelmäßiger eingestellt wird. DOLLAR A Als Entscheidungskriterium für den Betrag und die Richtung der Windnachführung werden in der vorgestellten Einrichtung und Optimierungsstrategie neben der Windrichtung, die Winsgeschwindigkeit und die erzeugte Leistung herangezogen. Es werden Leistungskurven für unterschiedliche Anströmrichtungen ausgewertet.

Description

Stand der Technik

In der Natur ist die Windrichtung nicht konstant, sondern ändert sich kurzfristig nicht vorhersehbar ständig. Daher werden moderne Windenergieanlagen mit einer automatischen Windnachführung ausgestattet, welche den Rotor optimal in den Wind stellen soll. Es kann bei im Abstand von 300 m stehenden Anlagen, mit z. B. 60 m Rotordurchmesser, beobachtet werden, dass die Rotorachsen über 10 min. Zeiträume in 20°-30° unterschiedliche Richtungen zeigen.

Die Beobachtung kann bei allen Anlagentypen gemacht werden, wobei der Betrag des Abweichungswinkels typabhängig ist.

Die Rotorfehlstellung zur Windrichtung hat min. zwei negative Folgen:

- Der Energieertrag ist geringer (3%-5%).
- Die Betriebslasten sind höher als notwendig.

Zwei Hauptprinzipien der Windnachführung sind bekannt:

- Die passive Nachführung, bei der der Rotor durch eine hinter diesem angeordnete große Windfahne nachgeführt wird, oder auch das von der Windenergieanlage "aeroman" bekannte Seitenrad, welches auf ein Schneckengetriebe wirkt.
Passive Nachführungen werden im Folgenden nicht betrachtet.
- Bei der aktiven Windnachführung wird der Winkel zwischen Rotorachse und Windrichtung mit einer kleinen Fahne, in der Regel hinter dem Rotor, gemessen und durch eine Steuerung oder Regelung, welche Teil der Betriebsführung ist, und elektro- bzw. hydromechanische Antriebe dem Wind nachgeführt. Bei der herkömmlichen Nachführstrategie wird versucht, die Laufzeit der Motoren gering zu halten. Dies führt zu einer erhöhten Winkelabweichung.

Der drehende Rotor verursacht eine Verwirbelung des Nachstromes, so daß bei jedem Durchgang eines Blattes vor der Windfahne eine Windrichtungsänderung von mehr als 30° gemessen wird. Die Windrichtungssensoren sind in der Regel recht grob. Die feinste Auflösung kann 11° und mehr betragen. Es werden auch Hell-Dunkel-Scheiben mit 90° Teilung eingesetzt. Die Betriebsführung entscheidet, dass dem Wind nachzufahren ist, wenn die scheinbare Windrichtung in einer vorgegebenen Zeitspanne einen vorgegebenen Winkel überschreitet. Um die Motoren nicht ständig zu starten, ist die kleinste zulässige Abweichung teilweise größer 10° gewählt.

Noch mindestens drei Ursachen können zu weiteren dauerhaften Fehlstellungen führen:

- Der Windrichtungssensor ist verdreht angebaut.
- Die Richtung des mittleren Nachstromfeldes hängt bei gegebener Kontur der Windenergieanlagengondel von der Kombination Rotordrehzahl und Windgeschwindigkeit ab und ist in der Regel unbekannt.
- Die durch den drehenden Rotor verursachte Missweisung der Windfahne ist bei niedrigen Windgeschwindigkeiten am größten.

Eine optimale Windnachführung lässt sich mit den beschriebenen und derzeitig angewendeten Methoden nicht realisieren.

Ziel der Erfindung

Durch eine verbesserte Strategie der Windnachführung soll mit Hilfe eines Windrichtungssensors, eines Windgeschwindigkeitsmessers, eines Leistungsmessers und eines Computerprogrammes die Windnachführung von Windenergieanlagen verbessert werden.

Es ergeben sich mindestens zwei wesentliche Anwendungen:

- Schon errichtete Windenergieanlagen erhalten ein Zusatzgerät, welches die Betriebsdaten erfasst und in das die Windnachführungsstrategie einprogrammiert ist, oder wenn möglich wird die Windnachführungsstrategie in den vorhandenen Betriebsführungsrechner einprogrammiert.
- Neu zu errichtende Windenergieanlagen erhalten einen Betriebsführungsrechner, in den die verbesserte Windnachführungsstratgie einprogrammiert ist.

Zentrale theoretische Erkenntnis, welche in der Software in eine Windnachführungsstrategie umzusetzen ist, ist, dass sich die Leistungskurven (Leistungsabgabe über der Windgeschwindigkeit aufgetragen) für unterschiedliche Stellungen des Rotors zum Wind deutlich unterscheiden. Quer durch die Leistungskurven in Richtung der scheinbaren Windrichtung ergibt sich ein eindeutiges Optimum, dessen Lage mit bekannten Optimierungsrechnungen leicht zu finden ist. Siehe Bild 1.

Die Leistungskurven in den unterschiedlichen Sektoren können ständig gemessen und so die Datenbasis verbessert bzw. alterungsbedingte Änderungen der Anlage berücksichtigt werden. Wird die Leistungskurve ständig gemessen, so kann auch eine falsche Montage der Windfahne ausgeglichen werden.

Es ist auch möglich die Leistungskurven für unterschiedliche Anströmwinkel einmalig vorweg zu messen oder zu berechnen und fest vorzugeben, ohne diese im Betrieb weiter zu aktualisieren. Ausrichtungsfehler der Windfahne können dann nicht ausgeglichen werden.

Claims

1. Optimierungseinrichtung bzw. Optimierungsstrategie zur Ertragssteigerung bei Windenergieanlagen durch genauere Azimutnachführung, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Kenntnis des optimal einzustellenden Winkels zwischen Rotorachse und Windrichtung auf der Erfassung und Auswertung von Windrichtung, Windgeschwindigkeit und erzeugter Leistung beruht.

2. Optimierungseinrichtung bzw. Optimierungsstrategie zur Ertragssteigerung bei Windenergieanlagen durch genauere Azimutnachführung nach 1, welche sich darüberhinaus dadurch auszeichnet, dass Leistungskurven für unterschiedliche Anströmwinkel des Rotors ausgewertet werden.

3. Optimierungseinrichtung bzw. Optimierungsstrategie zur Ertragssteigerung bei Windenergieanlagen durch genauere Azimutnachführung nach 1 und 2, welche sich darüberhinaus dadurch auszeichnet, dass Leistungskurven für verschiedene Anströmwinkel entweder nur vorgegeben werden, oder dass die Leistungskurven durch ständige Betriebsmessung aktualisiert werden.

4. Optimierungseinrichtung bzw. Optimierungsstrategie zur Ertragssteigerung bei Windenergieanlagen durch genauere Azimutnachführung nach 1, 2 und 3, welche sich darüberhinaus dadurch auszeichnet, dass die Anzahl der Leistungskurven für unterschiedliche Windrichtungssektoren und die Windrichtungssektorenbreite nicht festgelegt ist, dies jedoch sein kann.

5. Optimierungseinrichtung bzw. Optimierungsstrategie zur Ertragssteigerung bei Windenergieanlagen durch genauere Azimutnachführung nach 1 und 2, welche sich darüberhinaus dadurch auszeichnet, dass die gesamte Strategie in den vorhandenen Betriebsführungsrechner der Windenergieanlage einprogrammiert werden kann, und zu den üblicherweise vorhandenen Geräten keine weiteren notwendig sind.

6. Optimierungseinrichtung bzw. Optimierungsstrategie zur Ertragssteigerung bei Windenergieanlagen durch genauere Azimutnachführung nach 1 und 2, welche sich darüberhinaus dadurch auszeichnet, dass ein Gerät gebaut werden kann, welches alle oben aufgeführten Eigenschaften erfüllen kann und sich der üblicherweise vorhandenen Betriebsführung unterordnet und ständig nur die Windnachführung besser als die Betriebsführung regelt, sich jedoch vollständig passiv verhält, wenn die Betriebsführung selbst eine Azimutverstellung vornehmen will. Dies hat den Vorteil, dass die Kabelentdrillung nicht in das Gerät übernommen werden muss.

7. Optimierungseinrichtung bzw. Optimierungsstrategie zur Ertragssteigerung bei Windenergieanlagen durch genauere Azimutnachführung nach 1 und 2, welche sich darüberhinaus dadurch auszeichnet, dass aus den in der Vergangenheit notwendigen Azimutverstellungen ein Trend abgeleitet und bei der aktuell notwendigen Verstellung berücksichtigt wird.