DE602005003341T2

DE602005003341T2 - Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes, dem eine Windturbine ausgesetzt ist

Info

Publication number: DE602005003341T2
Application number: DE602005003341T
Authority: DE
Inventors: Troels Friis Pedersen
Original assignee: Danmarks Tekniskie Universitet
Current assignee: Romo Wind Ag Ch
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: US20070086893A1; EP1733241A1; CA2560600A1; CN101389967A; CN101389967B; DK1733241T3; NO338891B1; ATE378603T1; EP1733241B1; US7347668B2; DE602005003341D1; AU2005225666B2; CA2560600C; JP4487059B2; JP2007530926A; WO2005093435A1; ES2296143T3; AU2005225666A1; PT1733241E; NO20064797L

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, die zum Bestimmen der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes, dem eine Windturbine ausgesetzt ist, verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Die Leistungsabnahme einer Windturbine und die Lasten, der eine Windturbine durch den Wind ausgesetzt sind, sind in einem großen Ausmaß von der Ausrichtung der Windturbine in Bezug auf den Wind abhängig. Es sind daher bei den meisten Windturbinen Mittel vorhanden, um die Ausrichtung der Windturbine derart einzustellen, dass die optimale Ausrichtung erreicht werden kann. Weiter sind an den meisten Windturbinen Mittel verfügbar, die ein Einstellen der Windturbine erlauben, beispielsweise durch Ändern des Winkels des Angriffs der Blätter abhängig von der Windgeschwindigkeit.
Um ein optimales Einstellen der Windturbine zu ermöglichen, müssen die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung bekannt sein. Durch ein optimale Einstellen der Windturbine wird die Leistungsabgabe der Windturbine erhöht und die Lasten auf die Windturbine werden verringert.
Zusätzlich erlaubt eine genaue Messung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung ein genaues Bestimmen des Leistungswirkungsgrads der Windturbine. Genaue Leistungswirkungsgraddaten für eine Windturbine sind für eine genaue Einstellung und Überwachung von Windturbinen sehr wichtig.
Beschreibung des Standes der Technik
Die meisten bekannten Lösungen verwenden zum Messen der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes ein Schalenanemometer und eine Windfahne auf dem Dach der Gondel der Windturbine. Das Problem dabei ist, dass die Windmessung hinter dem Rotor erfolgt. Der Rotor bewirkt Turbulenzen, und der Wind, der von dem Windsensor gemessen wird, ist unterschiedlich von dem Wind vor dem Rotor. Zusätzlich wird dann, wenn der Wind unter einem Winkel auftrifft, entweder horizontale oder vertikale, die Gondel der Windturbine Wirbel und Grenzschichteffekte verursachen, die einen erheblichen Einfluss auf die Windsensoren haben können.
Eine Lösung zur Bestimmung des Leistungswirkungsgrades ist das Anbringen eines Mastes mit einem Sensor für die Windgeschwindigkeit und -richtung mit einem Abstand von der Windturbine. Typischerweise wird ein solcher Mast in einem Abstand von 2–3 Rotordurchmessern entfernt von der Windturbine aufgestellt. Dies funktioniert gut in Gebieten, bei denen der Wind an dem Ort des Mastes und dem Ort der Windturbine im wesentlichen derselbe ist, flache Gebiete und Offhore-Windfarmen sind gute Beispiele. Dies ist an vielen Orten jedoch nicht der Fall. Ein Beispiel ist eine Windturbine, die an einem bergigen Ort geortet ist. In solchen Situationen wird der Wind an dem Windsensor und an der Windturbine unterschiedlich sein, es ist daher erforderlich, eine Korrelation zwischen diesen beiden Positionen zu bestimmen. Dies ist sehr teuer, da ein weiterer Mast an der Position der Windturbine errichtet werden muss.
Eine weitere übliche Möglichkeit ist das Anordnen eines Windsensors an einen Stift, der sich vor der Windturbine koaxial mit der Drehachse des Rotors erstreckt. Dieser bringt den Windsensor vor die Windturbine, weg von den Turbulenzen, die von dem Rotor oder dem Körper der Windturbine verursacht werden. Da der Rotor sich dreht und der Windsensor ortsfest gehalten werden muss, ist ein komplexes, mechanisches System notwendig, das in dem Rotor eingebaut ist, um es dem Rotor zu erlauben, um den ortsfesten Stift, der den Windsensor hält, zu drehen.
Andere fortschrittliche Sensorsysteme sind verfügbar, die direkt die Geschwindigkeit des Windes messen können, der über jedes Blatt streicht. Ein derartiges System ist in der US 6,361,275 beschrieben. Bei diesem System ist an jedem Blatt ein Anemometer angeordnet. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Angriffswinkel des Blattes bekannt sind, kann die tatsächliche Windgeschwindigkeit, die an dem Blatt gegeben ist, bestimmt werden.
Ein weiteres anspruchsvolles Sensorsystem wird in der GB 2,067,247 offenbart. Das System, das durch diese Erfindung geschaffen wird, besteht aus zwei Drucksensoren, die nahe der Spitze des Profils des Blattes angeordnet sind. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Angriffswinkel des Blattes bekannt sind, kann die Windgeschwindigkeit des Blattes basierend auf den gemessenen Drücken bestimmt werden. Zusätzlich beschreibt dieses System ein Verfahren der Ausrichtung der Windturbine, bis diese direkt in den Wind weist. Dies wird erreicht durch Vergleichen der Windmessungen die ermittelt wurden, wenn der Rotor bei 90° und bei 270° ist. Wenn der Druck gleich ist, weist der Rotor direkt in den Wind. Wenn eine Differenz vorhanden ist, wird die Rotorposition eingestellt, bis die Differenz null ist.
Ein weiteres Dokument, die EP 1,288,494 , offenbart einen planaren Sensor für die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung, der zwei Piutotrohre hat, die in einer Ebene unter einem Winkel zueinander montiert sind. Dies erlaubt es dem Sensor, die Windgeschwindigkeit und -richtung in einer gegebenen Ebene zu bestimmen. Die EP 1,288,494 erwähnt weiter, dass der Sensor an einem Rotor einer Windturbine montiert sein kann, und dass der sinusförmigen Ausgang des Pitotrohres zum Ausrichten der Windturbine verwendet werden kann. Es sind jedoch keine Einzelheiten vorgeschlagen, wie der sinusförmigen Ausgang verwendet wird, um die Windturbine auszurichten. Es wird angenommen, dass ein Verfahren verwendet wird, das ähnlich demjenigen ist, das in der GB 2,067,247 beschrieben wird.
Die drei oben beschriebenen Systeme liefern jedoch kein direktes Verfahren zum Messen der mittleren Windgeschwindigkeit und -richtung, die in dem Zentrum des Rotors der Windturbine auftreten. Das Zentrum des Rotors wird typischerweise als eine Bezugsposition für die Windgeschwindigkeit einer Leistungskurve verwendet. Zusätzlich beruhen zwei der drei oben dargestellten Systeme auf Sensoren, die in oder auf den Blättern angeordnet sind. Sensoren, die in oder an den Blättern montiert sind, sind aufgrund ihrer Position sowohl schwierig zu installieren als auch schwierig zu warten. Sensoren, die an den Blättern montiert sind, haben auch das Problem, dass die Luftgeschwindigkeit über dem Blatt in hohem Ausmaße eine Funktion der Windgeschwindigkeit ist. Typischerweise wird die Luftgeschwindigkeit aufgrund der Blattgeschwindigkeit viel höher als die Luftgeschwindigkeit aufgrund des Windes sein.
Weiter geben die drei oben beschriebenen Systeme keine Information bezüglich des Strömungsneigungswinkels des Windes. Der Strömungsneigungswinkel ist der Winkel, den der Wind zu der Drehachse der Windturbine in eine vertikalen Ebene annimmt. Durch Kenntnis des Flussneigungswinkels können die Lasten auf der Windturbine genauer bestimmt werden.
Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung
Ein erster Aspekt der gegebenen Erfindung ist das Schaffen einer Sensiervorrichtung für die Windgeschwindigkeit und der Windrichtung bei Windturbinen, der vor dem Rotor angeordnet sein kann und fest mit dem Rotor verbunden ist.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen einer Vorrichtung eines Verfahrens zum Sensieren der Windgeschwindigkeit und Windrichtung bei Windturbinen, die die Windgeschwindigkeit und -richtung in einem dreidimensionalen Raum messen können.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen eines Sensierverfahrens für die Windgeschwindigkeit und -richtung bei Windturbinen, die sowohl die Windgeschwindigkeit als auch die Windrichtung mit einer einfachen, robusten und preiswerten Vorrichtung messen kann.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen einer Vorrichtung zum Sensieren der Windgeschwindigkeit und -richtung für Windturbinen, die ohne sich bewegende Teile gefertigt werden kann.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen eines Sensierverfahrens für die Windgeschwindigkeit und -richtung für eine Windturbine, die bei bestimmten Ausführungsbeispielen eine geringe Rechenleistung erfordert.
Der neue und einzigartige Weg, durch die die vorliegende Erfindung die oben erwähnten Aspekte erfüllt, ist das Schaffen einer Vorrichtung, wie sie in dem einleitenden Absatz erwähnt worden ist, mit wenigstens einem Sensor, der an dem Rotor der Windturbine befestigt ist, einem Winkelsensor zum Messen der Windgeschwindigkeit des Rotors der Windturbine und einer Schaltung, die die Beziehung zwischen dem Ausgang des wenigstens einem Sensors und dem Ausgang des Winkelsensors in die Geschwindigkeit und die Richtung des Windes, der die Windturbine ausgesetzt ist, behandelt.
Auf diese Weise wird eine Sensiervorrichtung geschaffen, die es erlaubt, den Sensor vor dem Rotor anzuordnen, wodurch Luftturbulenzen, die durch den Rotor und die Gondel angeordnet sind, die den Ausgang des Sensors beeinflussen würden, vermieden werden. Zusätzlich ist die Montage der Sensoren sehr einfach, da die Sensoren direkt an dem Rotor befestigt sind. Dies führt zu einer Sensiervorrichtung, die kostengünstig ist und nur wenig Wartung bedarf.
In Abhängigkeit von der Art des verwendeten Sensors können viele mögliche Ausführungsbeispiele der Sensorvorrichtung verwirklicht werden, die keine beweglichen Teile haben. Zusätzlich sind bestimmte Arten von Sensoren besonders gut geeignet gegenüber unwirklichen Temperatur- und Wetterstimmungen. Auf diese Weise kann das Sensiersystem sehr robust ausgeführt werden.
Da die Sensoren sich gemeinsam mit dem Rotor drehen, tasten die Sensoren den Wind ab, wenn dieser dreht, und können daher die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung in einem dreidimensionalen Raum bestimmen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der wenigstens eine Sensor an dem Spinner oder der Narbe der Windturbine oder einem Körper, der an dem Rotor der Windturbine befestigt ist, montiert sein. Auf dieser Weise können, wenn die Eigenschaften des Windflusses um den Spinner oder dem Körper bekannt sind, diese Eigenschaften verwendet werden, um die Windgeschwindigkeit und -richtung zu bestimmen.
Eine bevorzugte Wahl des Sensors ist ein Luftgeschwindigkeitssensor. Verschiedene Arten solcher Luftgeschwindigkeitssensoren, etwa Sonarsensoren, Schalenanemometer usw., sind verfügbar, die robust und kostengünstig sind. Eine andere Wahl ist ein Drucksensor, dessen Ausgang den Flächendruck angibt an einem Punkt des Spinners oder Körpers. Dieser Flächendruck ist abhängig von der Geschwindigkeit des Luftstroms über der Fläche und kann daher auch zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit oder -richtung verwendet werden.
Um die Berechnung zu vereinfachen, können zwei Sensoren an dem Rotor befestigt sein, wobei die beiden Sensoren symmetrisch um die Drehachse des Rotors angeordnet sind und auf einer Ebene, die die Rotorachse aufnimmt. Auf diese Weise kann das System bei jedem Drehwinkel des Rotors den Winkel finden, den der Wind zu der Rotorachse zu der Ebene einnimmt. Durch Aufnehmen des Ausgangs der beiden Sensoren an unterschiedlichen Winkelpositionen, die 90° voneinander entfernt sind, kann die Windrichtung in drei Dimensionen angegeben werden.
Durch Befestigen von drei oder mehr Sensoren an dem Rotor, die mit gleichen Winkelabständen um die Drehachse des Rotors angeordnet sind, können die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung in drei Dimensionen bestimmt werden, bei jeder beliebigen Winkelposition des Rotors von einer einzigen Messung an der jeweiligen Position.
Die vorliegende Erfindung schafft weiter ein Verfahren entsprechend dem einführenden Absatz mit den Schritten des Drehens wenigstens eines Sensors um die Drehachse des Rotors der Windturbine, aufzeichnen des Ausgangs des wenigstens einen Sensors in wenigstens einer Winkelposition und verwenden der Beziehung zwischen wenigstens einer Messung und der wenigstens einen Winkelposition, bei der diese durchgeführt wurde, um die Windgeschwindigkeit und -richtung zu berechnen. Auf diese Weise wird ein Verfahren geschaffen, das einfach ist und einen geringen Rechenaufwand erfordert.
Es sind viele verschiedene Sensiervorrichtungen denkbar, die bei dem obigen Verfahren eingesetzt werden können. Es versteht sich, dass das gegebene Verfahren nicht auf die Vorrichtungen begrenzt sind, wie sie in diesem Dokument beschrieben werden. Es versteht sich weiter, dass die Anzahl der Sensoren und die Anzahl der Winkelpositionen, an denen die Messungen durchgeführt werden, variieren können. Beispielsweise können in einem Fall, in dem drei Sensoren mit gleichem Abstand auf der Fläche des Spinners angeordnet sind, die Windgeschwindigkeit und -richtung mit einer Messung durchgeführt werden. In dem Fall, in dem lediglich ein Sensor an der Fläche des Spinners montiert ist, können mehrere Messungen verwendet werden, um die Windgeschwindigkeit und die gewünschte Richtung in einem dreidimensionalen Raum vollständig zu definieren.
In bestimmten Fällen kann der wenigstens eine Sensor an einem Körper montiert sein, der an dem Rotor der Windturbine befestigt ist. Die Strömungseigenschaften der Luftströmung um den Körper können bei der Berechnung der Windgeschwindigkeit und -richtung verwendet werden. Der Körper kann beispielsweise ein Spinner des Rotors sein. Unter Verwendung der Strömungseigenschaften der Luftströmung um einen solchen Körper erlaubt es, den Sensor ganz nahe an dem Körper zu montieren, da nicht-lineare Effekte der Luftströmung um den Körper berücksichtigt werden können.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Ausgang des wenigstens einen Sensors an mehreren Punkten während der Drehung des Rotors aufgezeichnet werden und die sinusfömige Beziehung zwischen den Messungen und den Winkelpositionen, an denen die Messungen durchgeführt worden sind, wird zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit und -richtung verwendet. Unter Verwendung von Statistiken können Flukationen der Windgeschwindigkeit und -richtung ausgefiltert werden, und die durchschnittliche Windgeschwindigkeit und -richtung kann ermittelt werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens können die Phase und die Extremwerte der oben beschriebenen sinusförmigen Beziehung zum Bestimmen der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes verwendet werden. Das Verwenden der Phase und der Extremwerte der sinusförmigen Beziehung führt zu einem einfachen Verfahren, das eine geringe Rechenleistung erfordert.
Es versteht sich für den Fachmann, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele nur einige von mehreren Vorrichtungen und Verfahren sind, die innerhalb des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung implementiert werden können.
Kurze Erläuterung der Zeichnungen
Die Erfindung wird unten genauer erläutert, wobei weitere vorteilhafte Eigenschaften und Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert sind. Dabei zeigt:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Windturbine, die mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems nach der Erfindung ausgerüstet ist,
2 zeigt eine Einzelheit in perspektivischer Darstellung,
3 zeigt eine Seitenansicht,
4 zeigt eine seitliche Ansicht einer Einzelheit,
5 zeigt die theoretischen Stromlinien eines Luftstroms, der um eine Kugel strömt,
6 zeigt die theoretische Tangentialgeschwindigkeit des Luftstroms um eine Kugel, gemessen unter unterschiedlichen Winkeln von ϕ, wie in 5 definiert,
7 zeigt die Definition der Winkel, die verwendet wurden, um die Windrichtung in einem ersten Verfahren nach der Erfindung zu beschreiben, wobei a) den Spinner zeigt, typischerweise von oben gesehen, b) den Spinner gesehen, typischerweise von vorne gesehen und c) den Spinner, typischerweise gesehen von der Seite,
8 zeigt die Beziehung zwischen dem Winkel der Windgeschwindigkeit und dem Luftgeschwindigkeitsverhältnis, gemessen durch Luftgeschwindigkeitssensoren, die an den gegenüberliegenden Seiten des Spinners der Windturbine montiert sind,
9 zeigt eine schematische Darstellung in perspektivischer Darstellung einer Windturbine, die mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des Sensorsystems nach der Erfindung ausgerüstet ist,
10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Einzelheit,
11 zeigt die theoretische Druckdifferenz zwischen den Luftdruck an verschiedenen Punkten auf der Fläche einer Kugel und dem Luftdruck bei einem großen Abstand von der Kugel,
12 zeigt die Winkel, die zum Definieren der Windrichtung in einem zweiten Verfahren nach der Erfindung verwendet wird,
13 zeigt die Beziehung zwischen dem Winkel des Windes und dem Luftdruckdifferenzverhältnis, gemessen durch Drucksensorauslesungen an gegenüberliegenden Seiten des Spinners der Windturbine,
14 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer Windturbine, die mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung nach der Erfindung ausgerüstet ist,
15 zeigt eine Einzelheit,
16 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer Windturbine, die mit einem vierten Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung nach der Erfindung ausgerüstet ist,
17 zeigt eine Einzelheit,
18 zeigt eine seitliche Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems nach der Erfindung, und
19 zeigt eine Einzelheit.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
Ein erstes Ausführungsbeispiel 1 der Vorrichtung nach der Erfindung ist in den 1–4 gezeigt. Bei diesem Beispiel sind zwei eindimensionale (1D) Luftgeschwindigkeitssensoren 2 an dem Spinner 3 einer Windturbine 4 in einer Ebene angeordnet, die die Drehachse 5 des Spinners aufnimmt. Dem Fachmann ist bekannt, dass der Rotor 6 typischerweise aus zwei oder mehr Blättern 7 besteht, die miteinander durch die Nabe verbunden sind. Ein Spinner 3 ist an dem Zentrum des Rotors angeordnet, um die Strömung um die Nabe zu leiten. Die Nabe ist im Inneren des Spinners angeordnet, und ist in den 1–4 daher nicht erkennbar.
Die vordere Hälfte des Spinners ist kugelförmig, um sicher zu stellen, dass die Strömung um den Spinner definiert und gleichmäßig ist. Die beiden 1D Sensoren 2 messen die Komponenten der Luftgeschwindigkeit über der Grenzschicht des Spinners in der Ebene, in der die Sensoren liegen und in einer Richtung, die an dem Punkt, an dem die Sensoren montiert sind, tangential zu der Oberfläche des kugelförmigen Spinners ist. In diesem Beispiel werden eindimensionale Sonarsensoren verwendet. Jeder Sonarsensor weist zwei Sensorköpfe 8a, 8b auf. Das Prinzip des Betriebs von Sonarsensoren ist es, die Zeit zu messen, die eine Sonarwelle benötigt, um zwischen den beiden Sonarköpfen 8a, 8b zu wandern. Eine Sonarwelle wird von dem ersten Sensorkopf 8a zu dem zweiten Sensorkopf 8b ausgesendet. Der zweite Sensorkopf 8b empfängt die Sonarwelle, und eine zweite Sonarwelle wird von dem zweiten Sensorkopf 8b zu dem ersten Sensorkopf 8a ausgesendet. Die Luftgeschwindigkeit in der Richtung zwischen den Spitzen kann bestimmt werden durch die Differenz der Zeit, die die zweiten Sonarwellen benötigen, um den Abstand zwischen den Sensorspitzen zurück zu legen. Diese Sensoren haben keine beweglichen Teile und sind daher sehr robust. Sie können auch erwärmt werden, um eine Eisbildung bei kaltem Klima zu verhindern.
Es können jedoch auch andere Arten von Sensoren bei dieser Anwendung verwendet werden, nicht also lediglich 1D Sonarsensoren. Einige Beispiele (nicht gezeigt) sind Pitoirohre, Savoniusrotoren, Propelleranemometer, Schalenanemometer, usw.. Einige Sensoren, wie die 1D Sonarsensoren, kompensieren die Drehung des Spinners automatisch, andere Sensoren, etwa Schalenanemometer, werden auch durch die Drehung des Spinners beeinflußt. In diesen Fällen ist es möglich, die Spinnerrotation durch Bestimmen der Rotationsgeschwindigkeit des Spinners aus der Messung der Rotorposition über die Zeit zu kompensieren.
Da die Sensoren in dem vorliegenden Beispiel direkt an dem Spinner montiert sind, können sie derart montiert sein, dass sie vom Inneren des Spinners zugänglich sind. Die Spinner von vielen Windturbinen sind so groß, dass Wartepersonal in den Spinner gelangen kann. Die Sensoren können daher von dem Inneren des Spinners derart montiert sein, dass der Körper des Sensors auf der Innenseite des Spinners ist, und die Messkomponenten durch eine oder mehrere kleine Bohrungen in der Fläche des Spinners vorragen. In dem Beispiel eines 1D Sonarsensors werden zwei kleine Bohrungen in die Fläche des Spinners gebohrt, durch die die Sonarelemente vorragen. Der Körper des Sonarsensors mit der Signalaufarbeitung und den Elektroniken wird mit dem Inneren des Spinners verschraubt. Viele andere Sensoren können auf diese Weise montiert sein, beispielsweise Savoniousrotoren, zwei Blattpropellern, Pitotrohre usw..
Bei dem gegenwärtigen Beispiel können die Windgeschwindigkeit und -richtung aus zwei 1D Sensoren bestimmt werden durch Nutzen der Kenntnis, wie sich die Luftstromgeschwindigkeit in zwei gegenüberliegenden Richtungen um ein kugelförmiges Objekt ändert, kombiniert mit der Kenntnis der Position des Rotors relativ zu dem Horizont. 5 zeigt eine schematische Darstellung der theoretischen Strömung um einen kugelförmigen Körper 9. Entsprechend der irrotationalen Strömungstheorie kann die tangentiale Luftgeschwindigkeit eines Luftstroms um eine Kugel an einen bestimmten Punkt 10 ausgedrückt werden als:
wobei v_∞ die Geschwindigkeit des Windes mit einem Abstand von dem Spinner, der ausreichend ist, dass er nicht von dem Spinner beeinflußt wird, ϕ der Winkel ist, zwischen einem Vektor von dem Zentrum der Kugel an dem interessierenden Punkt 10 und dem Windrichtungsvektor ist, R der Radius der Kugel ist, und r der Abstand von dem Zentrum der Kugel zu dem interessierenden Punkt ist. 6 zeigt die tangentiale Luftgeschwindigkeit an verschiedenen Werten für ϕ für eine Windgeschwindigkeit von 10 m/s und einem r/R-Verhältnis von 1,1.
Um die Windgeschwindigkeit zu definieren, werden zwei Winkel verwendet, α_h und α_v, wie in 7 gezeigt. Der erste Winkel α_h definiert den Projektionswinkel des Windvektors W in der XZ Ebene. Diese Ebene ist typischerweise die horizontale Ebene. Der Winkel ist gegen den Uhrzeigersinn um die y-Achse als positiv definiert. Der zweite Winkel α_v definiert den Projektionswinkel des Windvektors W in der XY Ebene. Diese Ebene ist typischerweise die vertikale Ebene. Positive Winkel werden um die z-Achse gegen den Uhrzeigersinn als definiert.
Der erste Winkel α_h ergibt sich durch Verwendung des Verhältnisses der durch die beiden 1D-Sensoren 2 gemessenen Windgeschwindigkeiten, wenn diese in der XZ-Ebene liegen. Der zweite Winkel α_v ergibt sich durch Verwendung des Verhältnisses der von den beiden 1D-Sensoren 2 gemessenen Windgeschwindigkeiten, wenn diese in der XV-Ebene liegen.
Unter Verwendung von α_v als ein Beispiel und der Formel (1) für die tangentiale Windgeschwindigkeit, wie oben angegeben, können wir dieses Verhältnis berechnen als:
Dieser Winkel ϕ ist der Winkel, an dem die Sensoren relativ zu der Drehachse 5 des Spinners 3 angeordnet sind, siehe 4. In dem gegebenen Beispiel ist ϕ mit 30° konstant. Es ist erkennbar, dass das Verhältnis F, wie es in Gleichung 2 angegeben ist, lediglich eine Funktion von α_v, nicht aber von der Windgeschwindigkeit ist. Durch die Messung dieses Verhältnisses und des inversen der obigen Beziehung, kann der Winkel α_v ermittelt werden. 8 zeigt das Inverse der obigen Beziehung. Bei diesem Beispiel kann sich auch eine Lösung in geschlossener Form aus der obigen Beziehung gefunden werden, siehe Gleichung (3), bei einer komplexeren Spinnergeometrie ist es aber möglicherweise nicht möglich, eine Lösung in einer geschlossenen Form zu finden.
Die tatsächliche Windgeschwindigkeit ergibt sich durch Eingeben, beispielsweise, der ersten gemessenen Windgeschwindigkeit v₁ und dem berechneten Winkel α_v in der Formel (1), und Auflösen nach v_∞. Gleichung (4) zeigt die Gleichung 1 aufgelöst nach v_∞.
Die Berechnungen, wie sie oben angegeben sind, können in einer Art einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Diese Schaltung kann beispielsweise ein Mikrokontroller oder ein Mikroprozessor sein (nicht gezeigt). Die Schaltung könnte bei einem anderen Ausführungsbeispiel eine analoge Schaltung sein, die analoge Signale ausgibt, die proportional zu der Windgeschwindigkeit und -richtung sind. Die Schaltung könnte entweder in dem Spinner selbst oder aber in der Gondel 11 angeordnet sein. Die Signale können von dem Spinner an die Gondel in einer oder verschiedenen Arten der Datenübertragung übergeben werden, wie sie bekannt sind. Bei modernen Windturbinen gibt es bereits eine Vielzahl von Signalen, die von dem Spinner an die Gondel übertragen werden.
Bei dem oben wiedergegebenen Ausführungsbeispielen werden die Ausgänge der beiden Geschwindigkeitssensoren an zwei Winkelpositionen aufgezeichnet. Die erste ist, wenn die Luftgeschwindigkeitssensoren in der horizontalen Ebene liegen, und die zweite ist, wenn die Luftgeschwindigkeitssensoren in der vertikalen Ebene liegen. Die Winkelposition der Luftgeschwindigkeitssensoren kann auf viele unterschiedliche Weisen ermittelt werden. Das eine Beispiel ist die Verwendung eines Winkelsensors (nicht gezeigt), der kontinuierlich die Winkelposition des Rotors 6 ist. Da die Winkelgeschwindigkeitssensoren 2 an dem Rotor befestigt sind, sind die Winkelposition des Rotors und die Winkelposition der Luftgeschwindigkeitssensoren zueinander fest. Der Ausgang der Luftgeschwindigkeitssensoren kann daher aufgezeichnet werden, wenn der Winkelsensor die gewünschte Winkelposition des Rotors erkennt. Verschiedene Winkelsensoren können in bestimmten Fällen vorgesehen sein, um eine Redundanz in dem Fall zu erreichen, dass einer oder mehrere der Winkelsensoren versagt.
Ein weiteres (nicht gezeigtes) Beispiel ist es, eine Art von Trigger zu haben, der an dem Rotor der Windturbine befestigt ist, der Messungen von den Windsensoren jedes Mal dann, wenn der Rotor eine bestimmte Position erreicht, auslöst. Dieser Trigger könnte beispielsweise einen Hall-Effekt-Sensor sein, der an dem Rotor montiert ist, der ein Impuls immer dann abgibt, wenn der Hall-Effekt-Sensor einen Magneten passiert, der an der Gondel der Windturbine angeordnet ist. Vier Magneten könnten in der Gondel mit einem Winkelabstand von 90° voneinander eingebettet sein. Dieses System könnte auch als eine Art von Winkelsensor beschrieben werden, da es bei bestimmten Winkelpositionen auslöst.
Die 9–10 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel 12 einer Vorrichtung nach der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Druckmessungen eines Drucksensors 13, der an der Oberfläche des Spinners 3 der Windturbine 4 montiert ist, verwendet, um die Windgeschwindigkeit und -richtung zu bestimmen, der die Windturbine ausgesetzt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch nur ein Differenzdrucksensor 13 verwendet werden, dem Fachmann ist jedoch offenbart, dass zusätzliche Drucksensoren verwendet werden können, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu erhöhen. Als ein Beispiel wird eine Zunahme der Anzahl der Sensoren sowohl die Auflösung als auch die Bandbreite der Messungen erhöhen.
Wie in dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die in den 9–10 gezeigte Windturbine einen Spinner mit einer kugelförmigen Vorderfläche. Um die Druckverteilung zu finden, wird eine theoretische Druckverteilung eines Fluids an einer Grenzschicht um eine Kugel gemessen, wie er sich aus der irrotationalen Störungstheorie ergibt. Die Druckverteilung ist gegeben durch:
wobei ϕ der Winkel zwischen einem Vektor ist, der die Richtung des Fluids bei freier Strömung, und einem Vektor zwischen dem Zentrum der Kugel und dem interessierenden Punkt auf der Fläche ergibt. Dies ist derselbe Winkel, wie er in 5 definiert ist. C_p ist der Druckkoeffizient und ist definiert als
wobei ρ die Dichte des Fluids, p der Druck an dem interessierenden Punkt auf der Fläche der Kugel, p_∞ und v_∞ der Druck bzw. die Luftgeschwindigkeit an einem Punkt, der außerhalb der Beeinflussung durch den Spinner ist, beispielsweise auf einer Stange 14, die vor dem Spinner angeordnet ist. Die Dichte des Fluids ρ kann bestimmt werden aus Nachschlagtabellen, wenn der Druck und die Temperatur des Fluids bekannt sind. 11 zeigt die theoretische Druckdifferenz (p – p_∞) als eine Funktion von ϕ bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den 9 und 10 ist ein erster Drucksensor 13 auf einer Kugelfläche des Spinners unter einem Winkel von 30 zu der Drehachse des Spinners montiert. Ein zweiter Drucksensor 15 ist an einer Stange 14 montiert, die sich von dem Spinner auf der Achse des Rotors 5 erstreckt. Der durchschnittliche Druck, gemessen durch die Bohrungen 15 in der Stange, gibt den atmosphärischen Druck p_∞ und die Druckdifferenz zu dem Drucksensor zu dem Spinner p – p_∞. Die Stange hat einen (nicht gezeigten) Temperatursensor an seiner Basis, der von Ringen 16 umgeben wird, um diesen von der Sonne abzuschirmen. Wenn der Spinner rotiert, rotieren die Drucksensoren 13, 15 mit dem Spinner. Diese Ergebnisse in dem ersten Drucksensor 13 "skannen" den Druck auf der Fläche des Spinners. Abhängigkeit von dem Winkel zwischen dem Wind und der Drehachse des Spinners werden sich die Druckmessungen ändern. In dem besonderen Fall, in dem die Windrichtung und die Drehachse übereinstimmen, wird die Druckauslesung konstant sein. Sobald jedoch die Windrichtung und die Drehachse des Spinners leicht unterschiedlich sind, wird der Ausgang des Drucksensors durchschnittlich eine sinusförmige Form haben. Diese Sinus-Beziehung kann verwendet werden zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit und -richtung. Es sollte für den Leser verständlich sein, dass aufgrund der Fluktuationen des Windes der tatsächliche Ausgang des Sensors 13 nicht vollständig sinusförmig sein wird. Unter Verwendung von statistischen Werkzeugen und/oder neben einer Anzahl von Messungen über die Zeit, kann der Ausgang des Sensors in eine sinusförmige Beziehung überführt werden. Zusätzlich könnte man sich vorstellen, dass bei Spinnern mit unterschiedlichen Formen der Ausgang der Sensoren nicht vollständig sinusförmig ist.
Der Winkel β ergibt sich durch Bestimmen des Winkels, bei dem der maximale Luftdruck von dem Drucksensor gemessen wird. Der maximale Luftdruck ergibt sich dann, wenn der Sensor in derselben Ebene wie der Windrichtungsvektor liegt, dass heißt, auf einer Ebene A, wie sie in 12 beschrieben ist. Der Winkel β kann daher einfach durch Messen des Winkels des Spinners und Aufzeichnen des Winkels, an dem der maximale Druck auftritt, gefunden werden.
Wie in dem voran stehenden Ausführungsbeispiel kann das Verhältnis zwischen den beiden Sensorauslesungen verwendet werden, um α zu finden. Bei diesem Beispiel wird das Verhältnis zwischen der minimalen Druckmessung und der maximalen Druckmessung verwendet. Für einen Spinner tritt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die minimale Druckmessung 180° gegenüber der maximalen Druckmessung auf. In dem vorangehenden Ausführungsbeispiel könnten die beiden Sensoren zu dem Spinner 180° weg voneinander montiert sein, und die Auslesungen von beiden Sensoren könnten an derselben Position aufgezeichnet werden. Bei diesem Beispiel wird jedoch nur ein Sensor verwendet. Die maximale Druckmessung verwendet, der Sensor wird um 180° weiter gedreht, und die minimale Druckmessung wird in der zweiten Position erfasst. Um die Tatsache zu berücksichtigen, dass die Windgeschwindigkeit und -richtung aufgrund von Schwankungen des Windes nicht dieselbe ist zum Zeitpunkt der beiden Druckmessungen, sollten die Druckmessungen über eine Anzahl von Drehungen genommen werden, um die Fluktuationen des Windes auszumitteln.
Durch Berechnen des Verhältnis Pim/Pmax kann α bestimmt werden. 13 zeigt die Beziehung zwischen diesem Verhältnis und α die theoretische Druckverteilung, die in diesem Beispiel verwendet wird, und einem Drucksensor, der bei 30° angeordnet ist. Diese Beziehung muß theoretisch oder experimentell bestimmt werden, wenn eine andere Art eines Spinners verwendet wird, oder wenn ein anderer Ort des Drucksensors verwendet wird.
Wenn α bekannt ist, kann es in die Druckverteilungsgleichungen eingesetzt werden, und benutzt werden zum Auflösen für die Windgeschwindigkeit. Die Gleichung (7) zeigt diese Beziehung.
Dieses Verfahren nach dem zweiten Ausführungsbeispiel könnte auch verwendet werden mit Sensoren, wie sie bei dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt sind.
Wenn zwei oder mehr Sensoren verwendet werden, können die Sensoren kalibriert werden unter Verwendung von statistischen Werkzeugen. Unter der Annahme, dass zwei Sensoren S1 und S2 auf einer Ebene symmetrisch um die Drehachse des Spinners montiert. Dies ist dasselbe wie bei dem ersten Beispiel. Bei einer solchen Anordnung tauschen bei jeder Halbdrehung oder 180° des Spinners die beiden Sensoren S1, S2 ihre Plätze. Das bedeutet, dass dann, wenn die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung konstant sind, der Messwert von S1 dann, wenn der Spinner bei 0° ist, derselbe sein sollte, wie der Messwert von S2, wenn der Spinner bei 180° ist. Wenn die beiden Messwerte, wie oben beschrieben, unterschiedlich sind, sollten die Sensoren so kalibriert werden, dass die Messergebnisse dieselben werden. Unter Verwendung von statistischen Werkzeugen ist es möglich, die Auslesungen von den Sensoren zu nutzen, auch wenn die Windgeschwindigkeit und -richtung nicht konstant sind.
In den beiden oben dargestellten Ausführungsbeispielen wurden die Sensoren direkt auf einen kugelförmigen Spinner montiert. Jedoch muss der Spinner nicht notwendigerweise eine Kugelform haben. Andere Formen, wie ellipsoide, parabolische usw. sind auch akzeptabel. Für das bei diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Verfahren muss der Spinner derart geformt sein, dass die Luftströmung um die Fläche des Spinners relativ gut definiert werden kann und gleichmäßig ist.
In Fällen, in denen die Strömungsverteilung der Luft um den Spinner nicht gut definiert oder gut bekannt ist, oder aber in Fällen, in denen der Spinner keine gleichmäßige Form hat, kann ein gut definierter Körper fest auf dem Rotor moniert sein. Ein derartiges Beispiel ist in den 14–15 gezeigt, das ein drittes Ausführungsbeispiel 17 einer Vorrichtung nach der Erfindung wiedergibt. In den 14–15 ist ein kugelförmiger Körper direkt auf der Rotornarbe 19 über eine Welle 20 angebracht. Einer oder mehrere Drucksensoren 21 oder Luftgeschwindigkeitssensoren können auf diesem gut definierten Körper platziert sein, und die Verteilung der Luftströmung über den gut definierten Körper wird verwendet bei dem Bestimmen der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung.
Zum Zwecke der Illustration machen die dargestellten Beispiele Verwendung von der theoretischen Luftströmung um eine Kugel. Die theoretische Luftströmung, die bei diesen Beispielen verwendet wurde, wurden hergeleitet aus der irrotationalen Strömungstherorie. Da die Luftströmung bei realen Spinnern unterschiedlich von der Theorie sein kann, könnte eine experimentell gemessene Luftströmung verwendet werden, wenn eine größere Genauigkeit erforderlich ist. Eine genauere Luftströmung könnte auch bestimmt werden über eine bessere Theorie oder eine Computational Fluid Dynamics (CFD) Software, wobei auch ein geringer Einfluss der Blattwurzeln, der Gondel und des Turmes berücksichtigt werden kann.
Die dargestellten Beispiele machen Verwendung von Sensoren, die unter 30° zu der Drehachse des Spinners angeordnet sind. Der Winkel, unter den die Sensoren angeordnet sind, hat eine Auswirkung auf die Auflösung der Sensorvorrichtung als auch auf den Bereich der Windrichtungen, die sie messen kann. Die Auflösung wird durch die nicht-linearen Eigenschaft der Luftströmung betroffen. Bei einem Fall auf einer auf Druck basierenden Auflösung kann gesagt werden, dass die höchste Auflösung erreicht wird, wenn der Gradient der Druckverteilung hoch ist. Bei der Druckverteilung um eine Kugel, wie in 11 gezeigt, ist der Gradient bei Winkeln um etwa 45° hoch. Um die beste Auflösung zu erreichen, sollten die Sensoren unter einem Winkel angeordnet sein, die die Sensoren bei Winkel von φ nahe 45° einhält.
Der Bereich, der von der Windsensorrichtung messbaren Windrichtungen hängt auch von der Anordnung der Sensoren ab. Bei Winkeln von ϕ über etwa 80°, abhängig von der Geschwindigkeit und anderen Eigenschaften des Windes, kann die Strömung von der Fläche des Spinners beabstandet sein, was die Sensormessung unzuverlässig macht. Durch Anordnung des Sensors bei 30° kann der Wind unter einem Winkel von ±50° zu der Drehachse des Spinners kommen, ohne dass der Winkel φ 80° übersteigt. Eine Anordnung des Sensors in einem Bereich von 30° bis 50° ist ein guter Kompromiss, es sind jedoch auch andere Winkel möglich.
Die 16 und 17 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel 22 einer Vorrichtung nach der Erfindung. In diesem Fall sind zwei Propelleranemometer 23 auf einem Stab 24 fest mit der Front des Spinners 3 verbunden. Die beiden Sensoren sind unter 30° zu der Achse des Stabs geneigt. Die Stäbe ordnen die Sensoren außerhalb der Luftströmung an, die durch die Form des Spinners betroffen ist. Wenn sich der Spinner dreht, drehen sich die Stäbe und die Propeller mit dem Spinner. Die Propelleranemometer werden daher ein fast sinusförmiges Signal abgeben, wenn sie sich drehen, da der Winkel zwischen der Drehachse des Sensors und dem Windvektor sich ändern wird. Die Messungen von den Propeller gemeinsam mit der Messung der Rotorposition kann verwendet werden, um die Windgeschwindigkeit und -richtung zu bestimmen. Bei diesem Beispiel ist es nicht erforderlich, die Eigenschaften des Drucks oder die Geschwindigkeitsverteilung der Luftströmung um den Spinner zu kennen, da die Sensoren den Wind an einem Ort angeordnet sind, wo keine signifikanten Effekte von dem Spinner vorliegen.
Statt Propelleranemomenter, Sonar- oder andere Typen von Windgeschwindigkeitssensoren, die ihren Ausgang mit einer Änderung des Winkels zu dem Sensor ändern, können auch gemeinsam mit der Rotorpositionsmessung verwendet werden.
Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel ist der Sensor unter einem Winkel zu der Rotorachse angeordnet, um die Änderung des Sensorausgangs mit den Änderungen des Strömungswinkels während der Drehung zu nutzen, um die Windrichtung zu bestimmen. Dieses Prinzip ist ähnlich dem oben beschriebenen Prinzip, jedoch mit der Abweichung, dass in diesem Fall die Änderung des Sensorausgangs mit der Änderung des Zustromwinkels während der Drehung nicht aufgrund einer Änderung der Luftgeschwindigkeit über dem Spinner erfolgt, sondern aufgrund der sich ändernden Ausrichtung des Sensors in Bezug auf den Wind.
Die 18 und 19 zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel 25 nach der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel wurde entwickelt aufgrund von Experimenten, die verdeutlicht haben, dass der Ausgang der Sensoren in Bezug auf Fehlern bei der Sensormontage und der Eisbildung an dem Spinner weniger anfällig sind durch Messen der Luftgeschwindigkeit über dem Spinner unter einem Winkel zu der tangentialen Luftströmung. Bei den in den 1–8 gezeigten Ausführungsbeispielen wurden die Sensoren angeordnet zum Messen der tangentialen Luftgeschwindigkeit der Luftströmung über dem Spinner. Durch Simulieren des Effekts der Eisbildung an dem Spinner kann gezeigt werden, dass die Eisbildung einen relativ großen Effekt bei einer tangentialen Messung der Luftgeschwindigkeit hat. Jedoch kann gezeigt werden durch eine Verwendung derselben Simulation und Messen der Luftgeschwindigkeit unter einem Winkel zu dem Tangensvektors des Spinners an dem Ort des Sensors, dass bestimmte Winkel und bestimmte Sensororte weniger empfindlich in Bezug auf die Effekte der Eisbildung und von Montagefehlern sind.
18 zeigt zwei Sensoren 26, die an dem Spinner 3 und an dem Winkel θ = ±45° zu der Drehachse 5 des Rotors montiert sind. 19 zeigt eine Darstellung der Einzelheiten eines der Sensoren 26. Die Sensoren 26 sind angeordnet zum Messen der Luftgeschwindigkeit unter einem Winkel von β = 26,3° zu der Strömung des tangentialen Luftstroms über den Spinner an dem Ort des Sensors. Der Tangensvektor ist in 19 mit dem Buchstaben T versehen, der Radialvektor ist mit dem Buchstaben R versehen und der Messvektor ist mit dem Buchstaben M versehen. Die in diesem Beispiel verwendeten Winkel sind lediglich beispielhaft und sollen die Erfindung nicht auf diese bestimmten Werte ergänzen.
Die Sensoren nach diesem Ausführungsbeispiel weisen einen Sensorkörper 27 auf, der die Elektronik und Signalverarbeitungsmittel, eine gebogene Stange 28 und zwei Sonarsensorköpfe 29, 30 aufweist, die an der gebogenen Stange 28 angeordnet sind. Die gebogene Stange 28 ist derart angeordnet, dass die Sonarsensorköpfe auf dem Vektor M angeordnet sind, wie in 19 gezeigt. Der Sensorkörper 27 ist mit dem Inneren des Spinners 3 verbunden, und die gebogene Stange 28 und die Sonarsensorköpfe 29, 30 ragen durch eine Bohrung 31 in den Spinner 3. Auf diese Weise kann die Sensoreinheit leicht von dem Inneren des Spinners aus ausgetauscht werden durch Lösen des Sensorkörpers 27 von dem Spinner und Rückziehen der gebogenen Stange 28, und der Sonarsensorkörper 29, 30 durch die Bohrung in den Spinner 3.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Spinner 3 in zwei Teile geteilt. Einen Befestigungsteil 32 und einen Sensorteil 33. Der Befestigungsteil 32 ist fest mit dem Rotor 6 der Windturbine verbunden. Die Sensoren 26 sind an dem Sensorteil 32 angeordnet. Der Sensorteil 33 kann von der Befestigungsplatte 32 getrennt werden und in einem Windtunnel zur Kalibration und Testung montiert werden. Wenn der Sensorteil 33 kalibriert ist, kann er wieder an dem Befestigungsteil 32 montiert werden. Diese Lösung ist besonders nützlich bei kleineren Windturbinen, wo der Zugang zu dem Inneren des Spinners nicht möglich ist, da das Austauschen des Sensorteils schneller und einfacher als das Austauschen des einzelnen Sensors ist.
Die Anordnung der Sensoren 26, wie in 19 gezeigt, hat den zusätzlichen Vorteil, dass der stromaufwärts Sonarsensor 30 die Luftströmung durch den Sensor nicht unterbricht. Dies führt zu einer genaueren Messung des Luftstroms über der Spinneroberfläche.
Der Leser wird verstehen, dass das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dann nicht arbeitet, wenn der Wind von hinter der Windturbine kommt. In dieser Situation ist eine übliche Windfahne nützlich, damit sich die Windturbine in die allgemeine Windrichtung ausrichtet. Nachdem die Windturbine im wesentlichen zu dem Wind weist und der Rotor begonnen hat, sich zu drehen, kann die Vorrichtung zum Bestimmen der Windrichtung und der Geschwindigkeit nach der vorliegenden Erfindung von der Windfahne übernommen werden, und die Windrichtung und die Geschwindigkeit mit einer viel höheren Genauigkeit ausführen.
Für alle Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann die Windgeschwindigkeit, die an dem Spinner oder deren Narbe gemessen worden ist, mit dem freien Wind korrigiert werden, die von dem Windturbinenrotor nicht beeinflußt wird. Dies kann unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Mastes erfolgen, der an einem ausreichenden Abstand von der Windturbine angeordnet ist, und mit einem Windgeschwindigkeitssensor, der auf der Höhe der Narbe angeordnet ist. Die Korrelation kann bestimmt werden für den gesamten Bereich der Windgeschwindigkeit als auch für möglicherweise unterschiedliche Blatteinstellungssteuerstrategien.
Weiter ist es dem Fachmann klar, dass die obigen Beispiele nicht einschränkend sind. Es sind viele unterschiedliche Wege der Anordnung der Sensoren an den Rotor oder den Spinner einer Windturbine möglich, die von der Technik, die von den obigen Ausführungsbeispielen angewendet werden, machen. Es gibt auch viele unterschiedliche mathematische Verfahren zum Wandeln der Messungen, die von den Sensoren gemacht worden sind, die an dem Rotor oder dem Spinner einer Windturbine montiert sind, in die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung.

Claims

Eine Vorrichtung (1; 12; 17; 22; 25) zum Bestimmen der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes, dem eine Windturbine (4) ausgesetzt ist, mit: – wenigstens einem Sensor (2; 13; 15; 21; 23; 26), der an dem Rotor (6; 19) der Windturbine (4) befestigt ist, gekennzeichnet durch – einen Winkelsensor zum Messen der Winkelposition des Rotors der Windturbine (4), und – einen Schaltkreis, der die Beziehung zwischen dem Ausgang des wenigstens einen Sensors (2; 13; 15; 21; 23; 26) und dem Ausgang des Winkelsensors in die Geschwindigkeit und die Richtung des Windes, dem die Windturbine (4) ausgesetzt ist, wandelt.
Eine Vorrichtung (1; 12; 22; 25) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (2; 13; 15; 21; 23; 26) an dem Spinner (3) oder der Nabe (19) der Windturbine (4) oder an einem Körper (18), der an dem Rotor (3; 19) der Windturbine (4) befestigt ist, montiert ist.
Eine Vorrichtung (26) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine an dem Spinner (3) montierte Sensor eine gebogene Stange (28) der Windturbine (4), zwei Sonarsensorköpfe (29, 30), die an der gebogenen Stange (28) einander gegenüberliegend angeordnet sind, und einen Sensorkörper (27) mit dem Schaltkreis aufweist.
Eine Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor ein Luftgeschwindigkeitssensor (2) ist.
Eine Vorrichtung (12; 17; 22) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor ein Drucksensor (13, 15; 21; 23) ist, dessen Ausgang den Flächendruck an einem Punkt auf dem Spinner (3) oder dem Körper (18) repräsentiert.
Eine Vorrichtung (12) nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensoren (13, 15) an dem Rotor (6) befestigt sind, die symmetrisch um die Drehachse (5) des Rotors (6) angeordnet und auf einer Ebene, die die Drehachse umgibt, montiert sind.
Eine Vorrichtung nach einem der Anspruche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Sensoren an dem Rotor befestigt sind und mit gleichem Winkelabstand um die Drehachse (5) des Rotors (6) angeordnet sind.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes, dem eine Windturbine (4) ausgesetzt ist, mit den folgenden Schritten: – Drehen des wenigstens einen Sensors (2; 13; 15; 21; 23; 26) um die Drehachse (5) des Rotors (6) der Windturbine (4), – Aufzeichnen des Ausgangs des wenigstens einen Sensors (2; 13; 15; 21; 23; 26) in wenigstens einer Winkelposition, und – Verwenden der Beziehung zwischen wenigstens einer Aufzeichnung und der wenigstens einen Winkelposition, in der diese erfasst wurde, um die Windgeschwindigkeit und Richtung zu berechnen.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des wenigstens einen Sensors (2; 13; 15; 21; 26) an mehreren Punkten während der Drehung des Rotors (6; 19) aufgezeichnet wird und die Beziehung zwischen den Aufzeichnungen und der Winkelposition, an der die Aufzeichnungen erfasst worden sind, zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit und der Richtung verwendet werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase und die Extremwerte der Beziehung zum Bestimmen der Geschwindigkeit und Richtung des Windes verwendet werden.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor wenigstens ein Luftgeschwindigkeitssensor (2) ist, der an dem Rotor (6) der Windturbine (4) befestigt ist.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor wenigstens ein Drucksensor (13, 15; 21; 23) ist, der an einem an dem Rotor (6; 19) der Windturbine (4) montierten Drehkörper (3; 18) befestigt ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für den Zweck des Bestimmens der Geschwindigkeit und der Richtung des Windes, dem eine Windturbine (4) ausgesetzt ist.