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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Messung von Verformungen mindestens eines Rotorblattes einer Windkraftanlage entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage ausgerüstet mit der oben erwähnten Einrichtung zur optischen Messung von Verformungen mindestens eines Rotorblattes der Windkraftanlage.
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Eine solche Einrichtung ist aus der
DE 10 2011 011 392 A der Anmelderin bekannt. Aktuell sind optische Reflektoren einer Reflektoreinrichtung an einer monolithischen Halterung fest an einer Oberfläche des Rotorblattes der Windkraftanlage angeordnet. Bei Verformung des Rotorblattes wird ein Strahlengang der Kamera jedoch so verändert, so dass er die Reflektoren nicht oder nur teilweise trifft, so dass die von einem Sensor aufgenommenen reflektierten Strahlenwerte abgefälscht werden, und die daraus ermittelten Messwerte fehlerhaft sind. Das gleiche gilt bei einer Beschädigung der Halterung durch äußere Einflüsse wie durch Servicepersonal, das beim Einsatz möglicherweise die Reflektoreinrichtung beschädigen oder verstellen kann, oder durch Teile, die im Rotorblatt sich befinden. Falls die Halterung mittels Klebung an der Blattoberfläche befestigt ist, muss bei tiefen Temperaturen (z. B. im Winter) das Klebemittel an der Haftstelle erhitzt werden, um eine feste und dauernde Verbindung der Halterung mit der Blattoberfläche einzugehen.
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Weitere Messeinrichtungen mit einer Reflektoreinrichtungen sind aus der
DE 10 2011 016 866 A sowie der
DE 10 2010 055 500 A bekannt. In beiden Dokumenten werden Reflektoranordnungen und Verfahren genannt, um Unterbrechungen der Messung durch Verdecken von Reflektoren im Inneren des Rotorblattes zu vermeiden. Die Reflektoreinrichtung mit den Reflektoren sind fest im Hohlraum des Rotorblattes angeordnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei der eingangs erwähnten optischen Messeinrichtung eine verbesserte Reflektoreinrichtung vorzusehen, welche die oben erwähnten Nachteile vermeidet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt vorrichtungsmässig durch die Merkmale des Patentanspruches 1, vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der auf diesen Anspruch zurückbezogenen Unteransprüche.
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Die Reflektoreinrichtung mit mindestens einem Reflektor umfasst dabei eine Halterung, die beweglich gegenüber einer mit dem Rotorblatt fest verbundenen Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird ein schneller Austausch eines oder mehrerer beschädigter oder nicht mehr funktionsfähiger Reflektoren ermöglicht. Die Halterung ist nicht nur lösbar sondern auch gegenüber einer mit dem Rotorblatt fest verbunden Aufnahmeeinrichtung verstellbar. Somit lassen sich alle Reflektoren lediglich durch Öffnen oder Schließen von Befestigungsmitteln wie Schrauben, Klemmen oder Ähnlichem gegenüber der Aufnahmeeinrichtung nachjustieren.
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In einer vorteilhaften Ausführung weist die Halterung an ihrem der Aufnahmeeinrichtung gegenüberliegenden Ende einen quer zur Blattachse angeordneten Träger auf zur Aufnahme mindestens eines Reflektors. Der Träger ist fest an der Halterung befestigt und nicht von einer axialen Belastung des Querträgers bei einer Windkraftanlagenoperation betroffen.
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Vorteilhaft sind ferner mindestens zwei Reflektoren parallel in einer Ebene und im gleichen Abstand zu einer Referenzposition an dem Träger angeordnet. Die Referenzposition weist in dieser Ausführung jeweils den gleichen Abstand zur den beiden Reflektoren auf. Die Abstandsmitte, d. h. der Schwerpunkt, der beiden so angeordneten Reflektoren wird durch eine im Rotor der Windkraftanlage angeordneten Kamera optisch gemessen, deren Strahlengang (z. B. LED) auf die Reflektoren gerichtet ist. Die Abstandsmitte wird dabei zunächst durch Messen eines sauberen und voll funktionsfähigen Reflektors festgelegt, die somit die Referenzposition der optischen Einrichtung bildet. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass zu einem späteren Zeitpunkt bei einer irrtümliche Festlegung der Abstandmitte der Reflektoren, bei Beschädigung oder Kontaminierung der Reflektoroberfläche, so dass nur ein Teil der Reflektoroberfläche den Strahlengang reflektieren kann, die Reflektoren voll funktionsfähig sind.
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Wenn bei einer vorgegebenen Abstandsposition jedoch nur ein Reflektor an dem Querträger befestigt wäre, wäre es nicht möglich, eine Bewegung der Abstandsmitte durch die Blattverformung von der durch die beschädigte Reflektoroberfläche zu unterscheiden. Die Unterscheidung der Abstandspositionen zwischen den beiden sauberen und funktionsfähigen Reflektoren ist konstant und insbesondere unabhängig von der Blattverformung. Der Unterscheidungsabstand zwischen mindestens zwei auf demselben Querträger angeordneten Reflektoren kann somit kontinuierlich durch die Kamera registriert und ausgewertet werde. Sobald der Abstand sich mit der Zeit ändert, erkennt das System dass eine Beschädigung des Reflektors vorliegt.
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Die Aufnahmeeinrichtung für die Halterung kann als integraler Bestandteil der Blattoberfläche ausgeführt sein. In dieser Ausführungsform weist die Blattoberfläche an der Befestigungsstelle eine entsprechend der Halterung ausgeformte Erhebung in Form eines Sockels auf, auf dem dann die Halterung lösbar gelagert ist. Alternativ kann aber auch die Aufnahmeeinrichtung als separates Bauteil in Form eines Fußes ausgeführt sein, der kraft- und formschlüssig, mit der Blattoberfläche fest verbunden ist. Diese Verbindung wird vorzugsweise als Klebverbindung ausgeführt, um so die Blattoberfläche nicht durch Befestigungsmittel wie Schrauben oder ähnliches zu beschädigen. Der Fuß weist hierfür an der Verbindungstelle zum Rotorblatt eine von der Oberfläche abweisende Ausnehmung zur Aufnahme des Klebemittels auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme der Zeichnung näher beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Windkraftanlage.
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2 zeigt eine schematische und teilweise Darstellung eines Rotors der aus 1 ersichtlichen Windkraftanlage mit einer Einrichtung zur optischen Messung von Verformungen eines Rotorblattes der Windkraftanlage.
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3 zeigt einen Querschnitt entsprechend der Linie A-A der 1.
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4 und 5 zeigen in perspektivischer Darstellung eine Reflektoreinrichtung der Anordnung nach 2.
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6 zeigt eine Aufnahmeeinrichtung der Reflektoreinrichtung nach 3 oder 4.
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7 zeigt eine Alternativausführung der Aufnahmeeinrichtung nach 3 oder 4.
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8 zeigt eine Schnittdarstellung nach B-B der 6.
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9 zeigt eine Schnittdarstellung nach B-B in einer weiteren Ausführung der 6.
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1 zeigt schematisch eine Windkraftanlage 1 mit einem feststehenden Maschinenhaus 2, das auch als Gondel bezeichnet wird, und einem rotierenden Teil mit einer um eine Rotorachse 3 sich drehende Nabe 4, von der aus senkrecht zur Rotorachse 3 abragenden drei Rotorblättern 5 mit jeweils einer Blattachse 7 sich erstrecken. Das Maschinenhaus 2 ist um eine senkrecht zur Rotorachse 3 angeordnete Yaw-Achse Y drehbar auf einem Turm 6 gelagert. Jedes Rotorblatt 5 ist mechanisch mit einem in dem Maschinenhaus 2 angeordnetem elektrischen Generator 8 gekoppelt, der eine auf die Rotorblätter wirkende Windkraft zum größten Teil in elektrische Energie umwandelt.
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Für den kontrollierten Betrieb der Windkraftanlage 1 ist eine Windanlagensteuerung 9 vorgesehen, mittels welcher unter anderem Rotorblattverstellantriebe 10 (Pitchantriebe) für jedes Blatt 5 gesteuert werden, mit denen eine Drehung des Rotorblattes 5 um seine Blattachse 7 ermöglicht wird (Pitch).
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2 zeigt eine allgemeine schematische und teilweise Darstellung in einem Längsschnitt durch eines der drei Rotorblätter 5 mit einer optischen Messeinrichtung 11 zur Messung für die Verformung des Rotorblattes 5 in einer allgemeinen Ausführung, wobei in der Darstellung der 2 diese ganz oder teilweise im Rotorblatt 5 integriert ist. Das am Blattlager 12 befestigte Ende des Rotorblattes 5 wird auch als Blattwurzel 13 bezeichnet. Die optische Messeinrichtung kann selbstverständlich auch in den beiden übrigen Rotorblättern der 1 angeordnet sein.
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Im Abstand zu der Blattwurzel 13 ist an einer Halterung 14 in einem Hohlraum 15 des Rotorblattes 5 eine Kamera 16 angeordnet. Bei der Kamerahalterung 14 kann es sich auch um eine sog. „weiche” Halterung handeln, d. h. die Kamera 16 braucht nicht fest mit der Blattwurzel 13 verbunden sein. durch diese Maßnahme wird verhindert, dass die Kamera 16 schwingt und somit das Messsignal verfälscht werden kann.
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Im Blickfeld 17 der Kamera 16 ist in einem axialen Abstand zur Blattwurzel 13 eine Reflektoreinrichtung 18 vorgesehen, die, wie später noch ausführlich erläutert wird, mittels einer Halterung im Rotorblatt 5 befestigt ist. Die Reflektoreinrichtung 18 umfass mindestsense einen Reflektor 19, wie dies aus 3 ersichtlich ist. Bei einer durch äußere Einflüsse bedingten Verformung des Rotorblattes bewegt sich die Reflektoreinrichtung, wie dies in 2 dargestellt ist, von einer z. B. oberhalb der Blattachse 7 angeordneten Position, die hier als Referenzposition bezeichnet wird, zu einer unterhalb der Achse 7 dargestellten Position. Die räumliche Verschiebung der Reflektoreinrichtung 18 stellt die aerodynamische Verschiebung des Rotorblattes 5 dar. Der von der Reflektoreinrichtung bzw. einem oder mehreren der angeordneten Reflektoren 19 reflektierte Lichtstrahl 20 trifft auf die fotosensive Fläche 21 der Kamera 16 auf. Die Reflektoreinrichtung 18 braucht nicht in einer Ebene quer zur Blattachse 7 angeordnet sein.
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Die Kamera 16 ist elektrisch mit einer schematisch dargestellten Bildverarbeitungs- und Auswerteinrichtung 22 verbunden, die im Rotorblatt 5, in der Rotornabe 4 oder an einer anderen geeigneten Stelle der Windkraftanlage 1 angeordnet ist. Die Einrichtung 22 kann auch durch die Windanlagensteuerung 9 gebildet werden oder mit dieser steuerungstechnisch verbunden sein. Die Einrichtung 22 berechnet – ggf. unter zu Hilfenahme einer nicht dargestellten Recheneinheit – die relative Lage der Kamera 16 zu der Blattwurzel 13. Aus der berechneten Lageposition bestimmt dann die Einrichtung 22 die relative Lage der Blattwurzel 13 zu der Position der Reflektoreinrichtung 18, wobei diese Lage dann die Verformung des Rotorblattes 5 charakterisiert. Aus dem so ermittelten Wert können dann mittels der allgemeinen Windanlagensteuerung 9 Steuerungsdaten für den Verstellantrieb 10 jedes einzelne (individuale Pitch) oder aller Rotorblätter 5 ermittelt werden.
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3 zeigt einen Querschnitt durch das Rotorblatt 5 entsprechend der Linie A-A der 1. Zwischen zwei Längssparren 23 ist auf der Innenseite der Blattoberfläche 24 eine der möglichen Reflektoreinrichtungen 18 ersichtlich. Die dargestellte Reflektoreinrichtung 18 besteht aus mehreren in Achsrichtung hintereinander angeordneten Einrichtungen. Die Hintereinanderanordnung der Reflektoreinrichtungen ist erforderlich, damit bei einer entsprechenden Verformung der Lichtstrahl 20 (2) nicht durch andere Reflektoreinrichtungen verfälscht wird.
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Unter Bezugnahme auf 4 und 5 umfasst die Reflektoreinrichtung 18 eine bewegliche Halterung 25 mit einem an seiner Befestigungsstelle 27 (3) mit der Blattoberfläche 24 entgegengesetzten Ende angeordnetem Träger 26, der fest mit der Halterung 25 verbunden ist und quer und parallel zur Blattachse 7 angeordnet ist. An den beiden Enden des Querträgers 26 sind zwei Reflektoren 19 ersichtlich, die somit in einer Ebene im gleichen Abstand vom Schwerpunkt 28 des Querträgers 26 zueinander angeordnet sind. Die Anordnung von mindestens zwei Reflektoren 19 an dem Querträger ist aus folgenden Gründen sinnvoll und vorteilhaft:
Der Schwerpunkt 28 bildet die Abstandsmitte zwischen den beiden Reflektoren 19, die optisch durch die Kamera 16 bestimmt oder gemessen wird, die den Lichtstrahl 20 der beiden Reflektoren wiederspiegelt. Die Abstandsmitte 28 wird zunächst durch Messung an einem sauberen, voll funktionsfähigen Reflektor bestimmt. Der Wert wird registriert. Ist zu einem späteren Zeitpunkt die Reflektoroberfläche beschädigt oder kontaminiert, so kann die Abstandsmitte dann eindeutig bestimmt werden. Wenn aber bei einem vorgegebenen Abstand nur ein Reflektor vorgesehen ist, ist es nicht möglich eine Bewegung der Abstandsmitte 28 bedingt durch eine Blattverformung von der Bewegung zu unterscheiden, die durch eine Beschädigung der Reflektoroberfläche bedingt ist. Da der Querträger steif ausgeführt ist und nicht durch eine axiale Belastung (entlang der Blattachsen 7) bei einer Windkraftanlage betroffen ist, ist somit die Verlagerung der Abstandsmitte 28 zwischen zwei sauberen und voll funktionsfähigen Reflektoren immer konstant und ist insbesondere unabhängig von der Blattverformung. Der Abstand zwischen den beiden Reflektoren (auf dem gleichen Querträger 26) wird somit mittels der Kamera 16 und der Bild- und Auswerteeinheit 22 (2) kontinuierlich registriert. Sobald der Abstand sich zu einem späteren Zeitpunkt ändert, erkennt das System das ein Reflektorbeschädigung oder Kontaminierung vorliegt.
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Die Reflektorhalterung 25 ist beweglich und verstellbar mittels Schrauben oder anderer lösbarer Befestigungsmittel 30 an einer Aufnahmeeinrichtung oder einem Halterfuß 29 befestigt. Der Fuß 29 ist fest mit der Innenseite der Blattoberfläche 24 (3) kraft- und formschlüssig z. B. mittels Klebung oder alternativ durch Bolzen oder Schrauben oder anderen geeigneten Befestigungsmittel verbunden.
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Die 6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Aufnahmeeinrichtung oder den Fuß 29. Bei einer Klebverbindung weist der Fuß 29, wie dies in 8 dargestellt ist, eine Ausnehmung 31 im Bereich seiner Auflagefläche mit der Blattoberfläche 24 zur Aufnahme des Klebemittels auf, um so eine geeignete Klebemitteldicke zu erzeugen zur Herstellung einer festen Verbindung. Zur Sicherung einer festen Klebeverbindung auch bei tiefen Temperaturen unter Raumtemperatur wie im Winter kann, wie in 9 dargestellt ist, über den Fuß 29 eine Heizeinrichtung 32 angeordnet sein.
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7 zeigt eine Alternativausführung der Aufnahmeeinrichtung 29, die als integraler Bestandteil der Blattoberfläche 24 ausgeführt ist, so dass die Verbindungsfläche zwischen dem Fuß 29 und der beweglichen Reflektorhalterung 25 über der Blattoberfläche erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Maschinenhaus (Gondel)
- 3
- Rotorachse
- 4
- Rotornabe
- 5
- Rotorblatt
- 6
- Turm
- 7
- Rotorblattachse
- 8
- Generator
- 9
- Windkraftanlagensteuerung
- 10
- Verstell-, Pitchantrieb
- 11
- Optische Messeinrichtung
- 12
- Blattlager
- 13
- Blattwurzel
- 14
- Kamerahalterung
- 15
- Hohlraum
- 16
- Kamera
- 17
- Blickfeld
- 18
- Reflektoreinrichtung
- 19
- Reflektor
- 20
- Lichtstrahl
- 21
- Fotosensive Fläche
- 22
- Bildverarbeitungs- und Auswerteeinrichtung
- 23
- Längssparren
- 24
- Blattoberfläche
- 25
- Reflektorhalterung
- 26
- Querträger
- 27
- Blattbefestigungsstelle
- 28
- Abstandsmitte (Schwerpunkt)
- 29
- Aufnahmeeinrichtung (Fuß)
- 30
- Schraube (Befestigungsmittel)
- 31
- Ausnehmung
- 32
- Heizeinrichtung
- Y
- Yaw-Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011011392 A [0002]
- DE 102011016866 A [0003]
- DE 102010055500 A [0003]
