DE3000678A1 - Vorrichtung zur bestimmung der windenergie zur regelung von windkraftwerken - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung der windenergie zur regelung von windkraftwerken

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DE3000678A1 DE19803000678 DE3000678A DE3000678A1 DE 3000678 A1 DE3000678 A1 DE 3000678A1 DE 19803000678 DE19803000678 DE 19803000678 DE 3000678 A DE3000678 A DE 3000678A DE 3000678 A1 DE3000678 A1 DE 3000678A1
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Description

7924E36 Z : ' · Bremen, den 8. Jan. 198o /Bw
ERNO Rawnfahrttechnik QnbH
Vorrichtung zur Bestimmung der Windenergie zur Regelung von Windkraftwerken
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Windenergie in der Rotorebene von Windkraftwerken, deren Rotoren mit schlanken, aerodynamisch geformten Rotorblättern ausgerüstet sind, zur Regelung vermittels eines mit Sonden gemessenen Druckunterschiedes.
Die Rotorblätter einer Windkraftanlage wandeln die im Wind enthaltene Energie in nutzbare Wellenleistung um und erzeugen dabei Reaktionskräfte, die von der Struktur der Anlage aufgenommen werden müssen. Diese Umwandlung ist um so günstiger und die Reaktionskräfte sind um so kleiner, je besser die Anlage geregelt .werden kann. Dabei können die folgenden Komponenten beein flußt werden .·
der Blatteinstellwinkel, die Rotordrehzahl, die Abtriebsleistung und bei horizontaler Achse die Lage der Rotordrehebene zum Luftstrom.
Alle Regelungsvorgänge gehen von der. herrschenden Windgeschwindigkeit und der Windrichtung in der Rotorebene aus. Für eine gute Regelung ist daher eine möglichst genaue Kenntnis der Windgeschwindigkeit und -richtung an den Rotorblättern erforderlich.
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Die bisher üblichen Meßmethoden zur Bestürmung dieser Werte ergeben starke Abweichungen von den tatsächlichen Werten, da sie mit Hilfe von Sonden ermittelt werden, die entweder in möglichster Nähe des Rotors oder in einiger Entfernung von ihm auf einem besonderen Meßmast angebracht sind. Hn ersten Fall ergeben sich Meßfehler durch die Rückwirkung des Rotors auf das Luftströmungsfeld; im Idealfall verringert der Rotor die Windgeschwindigkeit in seiner Ebene auf etwa 1/3 und beeinflußt damit das Strömungsfeld in seiner unmittelbaren Nähe nicht unerheblich. 3m zweiten Fall ergeben sich Fehler aus der Ungleichmäßigkeit der Luftströmung, die auch als Böen bezeichnet und vornehmlich durch die Bodenreibung der Luft und durch thermische Einflüsse erzeugt werden. Die Böen sind oft örtlich so eng begrenzt, daß eine an einem selbst in der Nähe befindlichen Mast gemessene Windgeschindigkeit von der in der Rotorebene wirksamen stark abweichen kann und somit Fehler in der Regelung auftreten. Alle bisher bekannten Methoden der Windmessung sind daher für Windkraftwerke ungeeignet, weil sie zu Fehlern bei der Regelung führen, wodurch Verluste bei der Ausnutzung der angebotenen Windenergie und Überlastungen der Struktur der Windkraftanlagen auftreten.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Meßvorrichtung zu schaffen, die speziell für Windkraftwerke geeignet ist und bei der die oben genannten Fehler vermieden sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sonden zur Bestimmung des Druckunterschiedes an der Oberfläche der Rotorblätter in der Nähe der Profilnase angebracht sind.
So sind Drucksonden an der Oberfläche der Rotorblätter in der Nähe der Profilnase angeordnet. Zusätzlich kann eine Drucksonde zur Bestimmung des Gesamtdruckes vor der Profilnase des Rotorblattes angebracht werden. Der Anbringungsort der Drucksonden am Rotorblatt soll an einem für die Leistungsbestimmung des Rotors typischen Rotorblattschnitt sein.
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für genauere Messungen kann auch an mehreren Blattschnitten gemessen werden. Ein in Spannweitenrichtung unterteiltes Blatt läßt sich mit einer so verfeinerten Messung dann auch abschnittsweise genauer regeln.
Windkraftanlagen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich kostengünstiger herstellen als die bisher üblichen, die einen besonderen Meßmast benötigen. Die Vorrichtung ist bei allen Windkraftwerken anwendbar, die mit aerodynamisch geformten, schlanken Rotorblättern ausgerüstet sind. Sie verbessert die Regelmöglichkeiten des Rotors für die Blatteinstellung und für die Ausrichtung des Rotors nach dem Winde.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungsfiguren, in denen die Erfindung an Ausführangsbeispielen erläutert und schematisch dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 einen Teil einer Windkraftanlage mit einen Horizontalachsenrotor, Fig. 2 ein Rotorblatt der Anlage von Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die Profilnase eines Rotorblattes (z.B. Fig. 2) mit erfindungsgemäßen Drucksonden,
Fig. 4 eine Windkraftanlage mit Horizontalachsenrotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 5 einen Vertikalachsenrotor von oben gesehen, Fig. 6 einen weiteren Querschnitt durch ein Rotorblatt (z.B. Fig. 2).
In Fig. 1 ist ein Teil einer Windkraftanlage dargestellt mit einem Trägermast 1 und einem Horizontalachsenrotor 2, dessen Achse mit 3 und dessen einstellbare, schlanke, aerodynamisch geformte Flügelblätter mit 4 bezeichnet sind.
Der Rotor 2 ist derart auf einem Lagerkranz 5 auf dem Mast 1 aufgesetzt, daß sich die Rotorachse 3, z.B. mit Hilfe einer auf ihr befestigten Windfahne 6, um die Vertikalachse in die Windrichtung schwenken läßt. In der Nabe des Rotors 2 sind ein Regler 7 und eine von ihm beeinflußbare Ver-
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stelleinrichtung 8 zum Drehen der Flügelblätter 4 um ihre Längsachse untergebracht. Stromzuführungsschleifringe an der Rotorachse für den Regler und die Verstelleinrichtung sind mit 9 bezeichnet*
In den Fig. 2 und insbesondere 3 ist die erfindungsgemäße Anbringung von Drucksonden 10 dargestellt. Die Sonden 10 sind in der Nähe der Profilnase '. 11 beiderseits der Mittelebene 12 vorzugsweise in einen Abstand von der Rotorachse 3 von 0,7 der Blattlänge auf der Oberfläche der Flügelblätter 4 angebracht. In den Fig. 2 und 4 ist der Ort der Sonden 10, der während des Betriebes des Windkraftwerkes einen sogenannten "Meßkreis" beschreibt, durch Pfeile gekennzeichnet. Aus dem mit den Sonden 10 bestimmten Druckunterschied kann man auf den Anblaswinkel "alpha" (Fig. 6) schließen. Sind der Einstellwinkel "beta" (Fig. 6) des Flügelblattes, der Druckunterschied an den Meßstellen und die Drehgeschwindigkeit des Rotors bekannt, so kann aus den Meßwerten auf die örtlich am Flügelblatt herrschende Windgeschwindigkeit geschlossen werden.
Ein Beispiel für den übertragungsweg der von den Sonden aufgenommenen Druckwerte auf die Regelanlage ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei sind eine Stromversorgung mit 13, eine Kodierungseinrichtung mit 14 und eine Meßwertübertragung vom Rotor R zum Stator S mit 15 bezeichnet.
Bei einem Mehrblattrotor mit gemeinsamer Blattverstellung müssen die Meßwerte sämtlicher Flügelblätter ermittelt werden, bevor der Regler den günstigsten Blatteinstellwinkel ermitteln kann und dann die Flügelblätter mit Hilfe der Verstelleinrichtung einstellt.
Bei einem Rotor mit Einzelblatteinstellung kann der Regler mit Hilfe der einzeln gemessenen Werte für jedes Flügelblatt den günstigsten Einstellwinkel bestimmen.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Windenergie in der Rotorebene erheblich genauer bestimmt werden als mit den herkömmlichen Methoden, wie z.B. Meßmast oder einem Anemometer auf der verlängerten Rotorwelle.
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«M f mm
Ein Schalenkreuzanemometer 16 (Fig. 4) dient nur noch zur Steuerung der Anlage außerhalb ihres eigentlichen Arbeitsbereiches. Da ein Anemometer kleinere Windgeschwindigkeiten genauer anzeigt als die Drucksonden, ist die Regeleinrichtung bei Windstille oder stehendem Rotor vorteilhafterweise auf ein Anemometer geschaltet. Erst bei Erreichen der Betriebsdrehzahl ist eine Umschaltung auf die Windmessung am Flügelblatt mit den Drucksonden vorgesehen. Das Abschalten der Anlage wegen Sturm kann bei einem vorgegebenen Wert mit Hilfe der Messung am Blatt erfolgen. Bei wegen Sturm abgeschaltetem Windkraftwerk ist dann wieder nur das Anemometer in Betrieb.
Die über den Druckunterschied ermittelten Werte des Anblaswinkels werden auf einen Rechner gegeben. Dieser bestimmt mit Hilfe der bekannten Werte des Einstellwinkels und der Drehzahl die örtliche Windgeschwindigkeit. In einem weiteren Rechenvorgang ergibt sich daraus unter Zuhilfenahme der Werte für Luftdruck, Temperatur und der Rotorkreisflache die wirksame Windenergie.
Die Windausrichtung im Betrieb kann außer mit der Windfahne 6 vorteilhafterweise ebenfalls mit Hilfe einer Drucksondermessung am Flügelblatt gesteuert werden. Für diesen Fall vergleicht die Regelanlage die Anblaswinkel eines Flügelblattes in der Rotorstellung 90 und 270 (Fig. 2) mit einander. Sind die beiden Winkel einander gleich, so ist eine Korrektur der Windausrichtung nicht erforderlich; sind die beiden Winkel unterschiedlich, so muß die Rotorebene so lange geschwenkt werden, bis die beiden Winkel einander gleich sind.
Ungleiche Anblaswinkel können bei Einzelblatteinstellung jedoch auch durch starke örtliche Unterschiede im Luftströmungsfeld entstehen. Die eben beschriebene Windausrichtungsanläge würde darauf in vorteilhafter Weise so lange mit einer Schwenkung der Rotorebene reagieren, bis die Rotorbelastung so gut wie möglich ausgeglichen ist.
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Registriert nämlich die Meßanlage ungleiche Anblaswinkel bei 90° und 27O (Fig. 2), so müssen die Blätter in der Stellung O und 180° so verstellt werden, daß eine Schwenkung der Rotor ebene um die Turmachse in dem Sinne erfolgt, daß der Unterschied in den Anblaswinkeln bei 90° und 270° wieder ausgeglichen wird. Bei mit der Höhe zunehmenden winden werden dabei die großen Kräfte in der oberen Hälfte des Rotorkreises vermindert und die Kräfte in der unteren Hälfte vergrößert. Durch diese Regelung können aber nicht nur unterschiedliche Belastungen weitgehend ausgeglichen werden, sondern es vermindern sich auch die Rotorwelle belastende Biegekräfte.
Durch diese Maßnahmen können gegebenenfalls sogar Schwingungsvorgänge anregende Kräfte klein gehalten werden. JEm ganzen resultiert hieraus eine derartige Verminderung der Strukturbelastung, daß leichter und damit billiger gebaut werden kann.
Nährend die Windausrichtung der Rotorebene im Betrieb durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gesteuert werden kann, ist lediglich beim Anfahren des Rotors eine Windausrichtung durch eine Windfahne vorteilhaft. Ein rasch reagierender Stellmechanismus kann für diesen Fall viel leichter und einfacher gebaut sein als der herkömmliche, da die Reaktionskräfte kleiner und die Sicherheitsanforderungen geringer sind.
Gegenüber den Verhältnissen bei den soeben betrachteten Horizontalachsenrotoren (Fig. 1,2 und 4) treten bei Vsrtikalachsenrotoren (Fig. 5) folgende Unterschiede auf:
der Rotor benötigt keine Windausrichtung, die Rotorblätter 17 unterliegen zyklischen Anblaswinkeländerungen und jedes Rotorblatt erfaßt die Stromröhre des Rotors zweimal; beim ersten Durchgang (Luvseite) ist die erfaßte Luft noch ungestört; beim zweiten Durchgang (Leeseite) durcheilt das Blatt eine verzögerte und verwirbelte Luftströmung.
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— Q _
Die für den Horizontalachsenrotor beschriebene Meßmethode für den Anblaswinkel (Fig. 3 und 6) arbeitet trägheitslos und kann bei Vertikalachsenrotoren ebenfalls verwendet werden. Aus der Messung des Anblaswinkels während des Durchlaufs auf der Luvseite kann auf die herrschende Windgeschwindigkeit geschlossen werden, wenn gleichzeitig die Drehgeschwindigkeit dos Rotors bekannt ist. Bei ungeregelter Blattverstellung ergeben sich für bekannte Verhältnisse νu/vo genau bestimmbare Anblaswinkel für jede Rotorstellung. Aus den Werten von Rotordrehzahl und Rotorstellung und Anblaswinkel kann sofort auf die örtlich herrschende Windgeschwindigkeit und damit auf die Energiemenge im Rotorquer schnitt geschlossen werden. Bei Rotoren mit geregelter Blattverstellung ist für diese Messung zusätzlich noch die Kenntnis des Einstellwinkels (ß) (Fig. 6) gegenüber einer Nullstellung erforderlich.
Bei der verzögerten und verwirbelten Luftströmung auf der Leeseite lassen sich die Anblaswinkel am Rotorblatt nicht mehr genau bestimmen. Auf Grund von kontinuierlichen Messungen des Anblaswinkels auf der Luvseite ist jedoch eine Regelung möglich.
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BAD ORIGINAL
Ao
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it

Claims (8)

7924E36 ':':': : · . . : 3renen, den 8. Jan. 1980 /Bw ERNO Raumfahrttechnik GmbH Patentansprüche
1.) Vorrichtung zur Bestimmung der Windenergie in der
Rotorebene von Windkraftwerken, deren Rotoren mit schlanken, aerodynamisch geformten Rotorblättern ausgerüstet sind, zur Regelung vermittels eines an Sonden gemessenen Druckunterschiedes, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksonden (10) an der Oberfläche der Rotorblätter (4) in der Nähe der Profilnase (11) angebracht sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drucksonde (10) zur Bestimmung des Gesamtdrucks vor der Profilnase (11) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksonden (10) in einem Abstand von der Rotorachse (3) von 0,7 der Blattlänge angebracht sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Anemometer (16) zur Bestimmung des Einsatzbereiches des Windkraftwerkes vorgesehen ist.
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3000878
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Windausrichtung einer Anlage mit Horizontalachsenrotor eine Windfahne (6) auf der nach Luv verlängerten Rotorachse (3) in einer Entfernung von der Rotorebene von 0,2 bis O,5 der Blattlänge vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Windausrichtung des Rotors mit Hilfe der Blattwinkelsteuerung erfolgt.
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DE19803000678 1980-01-10 1980-01-10 Vorrichtung zur bestimmung der windenergie zur regelung von windkraftwerken Withdrawn DE3000678A1 (de)

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