DE4429103A1

DE4429103A1 - Verfahren und Einrichtung zur Windmessung

Info

Publication number: DE4429103A1
Application number: DE19944429103
Authority: DE
Inventors: Joachim Paetz
Original assignee: Anemometerbau Rostock GmbH
Current assignee: Anemometerbau Rostock GmbH
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1994-08-17
Publication date: 1996-02-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtung zur Wind messung insbesondere zur gemeinsamen Messung der Windgeschwin digkeit und Windrichtung.

Diese Meßeinrichtung ist anwendbar in Frühwarnsystemen der Energiewirtschaft, im Bergbau, dem Küstenschutz, für meteoro logische Wetterbeobachtungen, als auch als Führungssystem für technische Anlagen.

Bekannt sind für die Messung der Windgeschwindigkeit Schalen kreuz- und Pendelanemometer. Beim Schalenkreuzanemometer wird die vom Wind erzeugte Energie in eine Drehbewegung umgewandelt und von einer Zähleinrichtung erfaßt oder durch einem Wirbel strom-Drehzahlmesser gemessen.

Pendelanemometer haben eine Pendelplatte, die quer zur Wind richtung horizontal gelagert ist. Ihr Ausschlag im Wind zeigt auf einer Bogenskala die Windstärke an. Dieser Ausschlag kann auch als elektrisches Signal mittels entsprechender Meßfühler abgegriffen und zur Anzeige gebracht werden (z. B. DE-OS 39 27 351).

Vorgeschlagen wurden auch Windmesser, die nach dem Prinzip der Kerman′schen Wirbelstraße (DE-OS 28 32 142), mit Ultraschall (DE-OS 35 06 591), dem Laser- Doppler- Effekt (DE-OS 34 06 142) oder auch in Verbindung mit einer Windrichtungsanzeige in einer Trägheitsarm- Meßeinrichtung (DE-OS 37 10 558) arbeiten.

Für die Anzeige der Windrichtung ist am bekanntesten die Wind fahne (Wetterfahne). Sie zeigt in ihrer jeweiligen Stellung gegenüber einer Windrose die herrschende Windrichtung an. Auch bei diesem System kann ein elektrischer Signalabgriff erfol gen, indem um die Drehachse der Windfahne Meßfühler angeordnet sind, die kontinuierlich die entsprechenden Signale meßtech nisch abgreifen und einer Anzeigeeinrichtung zuleiten.

Der wesentliche Nachteil der beschriebenen Meßsysteme ergibt sich aus der Funktionsbezogenheit der Meßinstrumente und der jeweils angewandten Meßverfahren für die Geschwindigkeits- und Richtungsmessung. Damit ergeben sich gleichzeitig unter schiedliche konstruktive Lösungen, für die einzelnen Meßver fahren und führen somit zu einer höheren Kostenbelastung. Diese konstruktiven Unterschiede bedingen auch höhere War tungsaufwendungen. Darüber hinaus ergibt sich eine geringere Flexibilität und durch das Wirksamwerden unterschiedlicher Verschleißfaktoren (z. B. mechanischer Verschleiß durch Rei bung) eine Einschränkung in der Verfügbarkeit und auch eine Begrenzung der Gesamtlebensdauer der Systeme.

Das Ziel und die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Meßverfahren und eine Meßeinrichtung zur Windmessung zu ent wickeln, die es ermöglicht mit einfachen statischen Mitteln die Windrichtung und die Windstärke gemeinsam nach einem Meß prinzip zu erfassen und als getrennte Größen anzuzeigen. Das Meßinstrument soll dazu einen einfachen konstruktiven Aufbau haben. Es soll robust, verschleißarm und weitestgehend wetterunempfindlich sein. Die Wartungsaufwendungen sollen auf ein niedriges Maß zurückgedrängt und die Verfügbarkeit und die Gesamtnutzungsdauer erhöht werden.

Verfahrensgemäß wird vorgeschlagen, die Windrichtung und die Windstärke gemeinsam als Funktion räumlicher Polarkoordinaten eines vom Wind beaufschlagten Strömungskörpers zu erfassen und getrennt zur Anzeige zu bringen.

Die Windrichtung entspricht hierbei der Neigungsrichtung des Strömungskörpers, dessen Lage sich bestimmt, durch den in der x-y-Ebene liegenden und auf die x-Achse bezogenen Winkel λ, der sich aus dem Schlagschatten des Strömungskörpers ergibt. Hierbei ist die x-Achse einer Himmelsrichtung als Nullbasis zugeordnet.

Die Windstärke entspricht der Strecke (O liegt auf der vertikalen Schwerpunktachse und P ist der räumliche Koordina tenendpunkt, der sich aus der Vektorlänge bestimmt), die die Polarstrahlen auf der x-y-Ebene in Folge der Strömungsnei gung des Winkelkörpers als Schlagschatten erzeugt.

Der Neigungswinkel des beauflagten Strömungskörpers wird ver fahrensgemäß auf die x-y-Achse fixierte Neigungswinkelsenso ren erfaßt.

Für die Bestimmung der räumlichen Polarkoordinaten, insbeson dere der Richtung des Polarkoordinatenstrahles und seiner Vektorlänge r gelten folgende mathematischen Beziehungen:

Diese Beziehung gilt unter der Annahme, daß x = 1 ist.

ϕ′ = Neigungswinkel gegenüber der horizontalen Nul lage des Strömungskörpers bezogen auf die x- Achse
ϕ′′ = Neigungswinkel gegenüber der horizontalen Nul lage des Strömungskörpers bezogen auf die y- Achseλ = Richtungswinkel des Polarstrahles gegenüber der als Nullbasis festgelegten x-Achse.

Die verfahrensgemäßen Schritte bestehen somit in der Erfassung der Lageveränderung des Strömungskörpers gegenüber seinem senkrechten Schwerpunktachse in Folge des auftreffenden Win des, in dem diese Lageveränderung als Neigungswinkel gegen über der x- und y-Achse erfaßt und danach die Lage des Polar koordinatenstrahles gegenüber der x-Achse und die Vektor größe dieses Polarkoordinatenstrahles berechnet wird und daß beide Ergebnisse als proportionale Funktionen der Wind richtung und der Windstärke danach getrennt angezeigt werden.

Die Meßeinrichtung zur Anwendung des Verfahrens besteht aus einem allseitig kippbeweglich gelagerten, lotrecht sich selbst aufrichtenden Strömungskörpers, dem senkrecht zu seiner Lot achse (Schwerpunktachse) die x- und y-Achse verkörpernde Neigungswinkelsensoren zugeordnet sind, wobei eine Achse auf eine vorbestimmte Himmelsachse (-richtung) als Nullachse aus gerichtet ist.

Diese Sensoren sind mit einem Rechner verbunden, dem für die Anzeige der Windrichtung und Windstärke entsprechende Anzeige einrichtungen zugeordnet sind.

Die Neigungswinkelsensoren sind so zueinander angeordnet, daß sie für den Rechner einen gemeinsamen Quadranten in der x-y- Ebene erfassen. Die x-Achse (Abszisse) ist vorzugsweise der Nord-Süd-Himmelsachse und die y-Achse (Ordinate) der Ost- West-Himmelsachse zugeordnet.

Die kippbewegliche Abstützung des Strömungskörpers erfolgt deckungsgleich zu seiner Schwerpunktachse entweder durch ein Kardangelenk, ein biegeelastisches Gelenk, eine Feder, vor zugsweise eine Spiralfeder, einem Federpaket von wenigstens 3 Federgelenken, einer doppelten, sich kreuzenden Prismenabstüt zung, einer Zapfen- oder Körnerlagerung mit Deckplatte.

Die Selbstjustierung wird dadurch bewirkt, daß der körperliche Schwerpunkt des Strömungskörpers unterhalb seines Abstützpunk tes liegt. Dazu besitzt der Strömungskörper eine topfförmige Kontur, wobei man zur Verstärkung der Justierwirkung und zur Windmessung am unteren Rand dieses Körpers eine zusätzliche Masse als Ringmasse angeordnet ist.

Die Neigungswinkelsensoren sind im Inneren des Strömungskör pers am Boden oder auch auf diesem befestigt. Der elektrische Anschluß zum Stützanker erfolgt über flexible Leitungen.

Die Änderung der Ansprechfähigkeit (Empfindlichkeit) des Strö mungskörpers kann durch eine auf seiner Oberseite achsmittig angeordnete Antenne erfolgen. Sie kann als voller Stab, offe nes Rohr oder Stab mit aufgesetzter Antennenkugel bestehen. Die Verstärkung der Empfindlichkeit kann insbesondere auch dadurch erfolgen,daß am unteren Rand des Strömungskörpers, Lamellen oder in der Mantelfläche des Strömungskörpers zusätz liche Windfangtaschen angeordnet sind. Auch eine Veränderung der Masse ist möglich. Das Justieren des Windmessers erfolgt entweder über die Nullstellung der elektrischen Berechnungs einheit oder über das Justieren der Halterung durch den Stän derkörper oder Träger.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform speziell für Windkraft anlagen kann in einer weiteren Vereinfachung des vorgeschlage nen Windmessers darin bestehen, daß ein Neigungssensor zur direkten Erfassung der Windgeschwindigkeit und der zweite Neigungssensor die Windrichtung und dementsprechend die Win kelabweichung der Nabe der Windkraftanlage zur Windrichtung erfaßt.

Bei solch speziellen Einsatzbedingungen sind die beiden Senso ren neben der mathematischen Verknüpfung oder durch diese als direkte Soll-Ist-Steuer-Schaltung dem Rotorantrieb und dem Stellantrieb für die Gondelnachführung zugeordnet.

Bei der Verwendung eines Kardangelenkes, ist dieses, von einer elastischen Manschette eingefaßt.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel nochmals verdeutlicht werden. Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt durch einen Windmesser mit kar danischer Gelenklagerung,

Fig. 2 den Querschnitt durch einen Windmesser mit Pri smenlagerung,

Fig. 3 Querschnitt einer Zapfen-, Körnerlagerung mit Deckplatte,

Fig. 4 die räumlichen Polarkoordinaten AD der Nei gungssensoren an einer Windkraftanlage.

In der Fig. 1 ist der topfförmige Strömungskörper 1 zu erken nen. Er wird durch das Kardangelenk 2 auf dem Stützanker 9 getragen. Dieser Stützanker 9 ist mit seinem Flansch 5 auf dem Stützmast 10 befestigt und zur Lotachse justiert. Der Strö mungskörper 1 ist durch seine Schwerpunktlage als sich selbst justierend ausgeführt. Dazu erfolgt im Inneren eine zentral mittige Abstützung auf dem Kardangelenk 2 oberhalb seines Körperschwerpunktes. Zur Verstärkung des Schwerkraftpendel- Effektes ist an seinem unteren Rand ein Massering 3 angeord net. Um gleichzeitig die Ansprechempfindlichkeit des Windmes sers auch bei geringen Windstärken zu gewährleisten sind un terhalb des Masseringes 3 zusätzliche Windfächer oder auf der Oberseite des Strömungskörpers 1 zur Dämpfung ein Antennenstab 7 achsmittig mit aufgeteckter Antennenkugel 8 angeordnet. Die Neigungswinkelsensoren 6 und 11 (11 um 90 Grad versetzt angeordnet) sind an der Bodenfläche des Strömungsköpers 1 wet tergeschützt befestigt und versiegelt. Über die flexiblen Leitungen 12 sind diese Sensoren 6 und 11 mit einem Rechner funktionswirksam verbunden. Der Neigungswinkelsensor 6 ver körpert die x-Achse und der Neigungswinkelsensor 11 die y- Achse. Nach diesem Beispiel ist die x-Achse der Himmelsachse Nord-Süd zugeordnet. Sie bildet zugleich die Nullachse für den Rechner zur Berechnung der räumlichen Polarkoordinaten. Die Ausgabe bzw. Angabe der vom Rechner ermittelten Polarkoor dinatenrichtung und -größe (Vektorlänge) als Funktion der Windstärke erfolgt über eine Richtungsanzeige bzw. über den Windstärkeanzeiger. Die Anzeige kann sowohl digital oder ana log erfolgen. Darüber hinaus ist auch eine meßtechnische Ver einigung beider Anzeigeninstrumente möglich.

Der Windmesser nach Fig. 2 unterscheidet sich gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 durch die Verwendung einer über Kreuz angeordneten Prismenlagerung 13 und 14, nach dem gleichen Prinzip wie das Kardangelenk 2. Windmesser mit Prismenlagerung haben aufgrund ihrer geringen Reibung eine sehr hohe Empfind lichkeit. Sie eignen sich insbesondere für Laboranordnungen.

Der Windmesser nach Fig. 2 ist vorzugsweise so aufgebaut, daß er auf seinem Boden einen Zwischenschaft 15 aufweist, an dem die obere Trägerplatte 16 und an dessen Rand diametral ein Doppel-Prismenlager 13 angeordnet ist. Dieses Doppel-Pris menlager 13 stützt sich auf der unteren Trägerplatte 17 ab, die wiederum über ein um 90° Drehwinkel versetztes Doppel- Prismenlager 14 verfügt, das sich auf einer Querstrebe 18 abstützt. Die Querstrebe 18 ist auf der Oberseite des Stützma stes 10 befestigt.

Ein Abheben der Trägerplatten 16 und 17 verhindert eine Halte rung 19. Diese Halterung ist unterhalb jedes Prismenlagers 13 und 14 an der Querstrebe 18 und Trägerplatte 16 und 17 befe stigt und greifen berührungsfrei über die Trägerplatte 16 bzw. 17.

Bei der Darstellung nach Fig. 2 sind die Neigungssensoren 6 und 11 auf der Oberseite des Bodens 9 des Strömungskörpers 1 angeordnet. Für den Wetterschutz sind die Neigungssensoren 6 und 11 in eine Verbundmasse 20 eingegossen.

Die Signale der Neigungssensoren 6 und 11 werden über die im inneren des Strömungskörpers 1 verlegten Leitungen 12 übermit telt.

In der Fig. 3 ist im Querschnitt ein Anströmkörper gezeigt, der zum Unterschied zu Fig. 1 und 2 eine einstellbare Zapfen- oder Körnerlagerung 4 mit Ring- Deckplatte 22 und Lagergabel 23 besitzt und ohne Antennenausführung dargestellt ist. Die Lagergabel 23 ist auf dem Stützmast 10 befestigt und die Lei tungen 12 werden durch den Stützmast 10 geführt. Der Aufbau ist ansonsten mit Fig. 1 identisch.

Mit Fig. 4 werden nochmals die einzelnen Winkelbeziehungen im Polarkoordinatensystem dargestellt.

Der auf den Strömungskörper 1 auftreffende Wind bewirkt ent sprechend seiner Stärke und Richtung ein Wegkippen aus seiner stabilisierten Lotachse. Diese Kippbewegung erzeugt in der x-y- Ebene eine Winkelneigung, die mit Neigungswinkelsensoren 6 und 11 als Neigungswinkel ϕ′ und ϕ′′ getrennt erfaßt und im Rechner zugeleitet werden. Im Rechner werden aus diesen Signa len die Lage des Polarkoordinatenstrahles und dessen Vek torgröße nach dem im Verfahrensteil benannten mathematischen Beziehungen wie sie sich aus den räumlichen Polarkoordinaten ableiten berechnet und als Windstärke und Windrichtung ange zeigt.

Der Vorteil dieses Verfahrens und der vorgeschlagenen Meßein richtung besteht in ihrem geringen meßtechnischen Aufwand, der sich daraus ergebenden Robustheit, Wetterunempfindlichkeit und daraus resultierenden großen Verfügbarkeit. Die vorgeschlagene Meßeinrichtung kann einfach und kostengünstig hergestellt werden und sie ist an allen nichtbeweglichen Standorten zur Windmessung einsetzbar.

Bezugszeichenliste

1 Strömungskörper
2 Kardangelenk
3 Massering (Dämpfungsglied)
4 Körnerlagerung (Zapfenlagerung)
5 Befestigungsflansch
6 Neigungswinkelsensor
7 Antennenstab
8 Antennenkugel
9 Stützanker
10 Stützmast
11 Neigungswinkelsensor
12 Leitungen
13 Prismenlager
14 Prismenlager
15 Zwischenschaft
16 Trägerplatte
17 Trägerplatte
18 Querstrebe
19 Halteklaue
20 Verbundmasse
21 Stellschraube
22 Ringdeckplatte
23 Lagergabel
a-k Leitung
A, B, C Anschlußklemmen an den Neigungswinkelsensoren.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Windstärke und Windrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Lageveränderung eines angeströmten Strömungskörpers (1) gegenüber seiner Lotachse (Erdachse) und gegenüber einer vorgegebenen horizontalen Nullachse als Neigungswinkel gegenüber der x-y-Ebene erfaßt, in ein räumliches Polarkoordinatensy stem transformiert und an Hand dieser Winkelanomalie der Polarkoordinatenwinkel λ für die Lage des Polarstrah les als Funktion der Windrichtung und die Größe des Polarkoordinatenradius r als Funktion der Windstärke berechnet und zur Anzeige gebracht werden, wobei für die Berechnung folgende mathematische Beziehungen gelten: Diese Beziehung gilt unter der Annahme, daß x = 1 ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die x- und y-Achse den Himmelsrichtungen Nord-Süd oder West-Ost zugeordnet sind und das eine dieser Achsen, vorzugsweise die x-Achse die Nullachse im Polarkoordina tensystem für den Rechner bildet und daß der Pol O auf der Schwerpunktachse des Strömungskörpers (1) liegt.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprü chen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen zentralmittigen, allseitig kippbeweglichen, sich selbstjustierend gelager ten Strömungskörper (1), dem senkrecht zu seiner Lotachse auf die x- und y-Achse bezogene Neigungswinkelsensoren (6, 11) zugeordnet sind, die mit einem Rechner und einer nachgeschalteten Anzeige für die Windrichtung und Wind stärke elektrisch verbunden sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Schwerpunkt des Strömungskörpers (1) unterhalb seines Abstützpunktes liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß für die Kippbeweglichkeit ein Kardangelenk (2) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß für die Kippbeweglichkeit des Strömungskörpers (1) ein biegeelastisches Zwischenglied vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß für die Kippbeweglichkeit des Strömungskörpers (1) eine Spiralfeder vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß für die Kippbeweglichkeit des Strömungskörpers (1) ein Federpaket von wenigstens 3 Federn, die symmetrisch um die Zentrierachse angeordnet sind, vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß für die Kippbeweglichkeit des Strömungskörpers (1) eine über Kreuz angeordnete Prismenabstützung (13, 14) vorgese hen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet da durch, daß der Strömungskörper (1) am unteren Rand einen Massering (3) trägt.

11. Einrichtung nach Anspruch 3 mit Dämpfungsglied, gekenn zeichnet dadurch, daß auf dem Strömungsköper (1) eine Antenne (7) angeordnet ist, und das diese Antenne (7) als Vollstab, offenes Rohr oder als Vollstab mit Antennenku gel (8) ausgebildet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß zur Kraftverstärkung am unteren Rand des Strömungskörpers (1) vorzugsweise am Massering (3) radial Windfächer an geordnet sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 3, 4 und 10, gekennzeichnet da durch, daß zur Kraftverstärkung der Massering (3) am Strömungskörper (1) zum Justieren geeignet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß für die Kippbeweglichkeit des Strömungskörpers (1) eine kardanische Körner- oder Zapfenlagerung (4) vorgesehen ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 3 und 14, gekennzeichnet da durch, daß die Körner- oder Zapfenlagerung (4) von Stell schrauben (21) getragen werden.