NO338636B1 - Overvåking av belastninger på et vindkraftanlegg - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et vindkraftanlegg omfattende en innretning for overvåking, minst én føler for registrering av måleverdier, og videre en fremgangsmåte for overvåking av et vindkraftanlegg, ved hvilken a) en måleverdi registreres med minst én føler, b) denne måleverdi omformes til et signal som representerer måleverdien, og c) signalet lagres og/eller bearbeides i overensstemmelse med en forutbestemt fremgangsmåte.

Slike innretninger og fremgangsmåter er kjente innen den kjente teknikk. I tidsskriftet "Erneuerbare Energien", hefte 7/2000, side 38, utgitt av SunMedia Verlags- und Kongressgesellschaft fur Erneuerbare Energien mbH Hannover, er det i et bidrag med overskriften "Knackt der Rotor den Turm" ("Rotoren gir tårnet hard medfart") er det nevnt en svingningsovervåking ved hjelp av akselerasjonsmåling.

I hefte nr. 5/2000 av dette tidsskrift er det på side 37 i avsnitt 2 beskrevet at det ved de svingningsovervåkere som i dag tilbys av flere fabrikanter, dreier seg om akselerasjons-følere. Videre er det der beskrevet en fremgangsmåte ved hvilken farlige frekvenser tilsiktet forsterkes ved hjelp av en elektronikk.

Denne kjente teknikk tillater en registrering av svingninger av tårnhodet i bestemte frekvensområder. Disse svingninger danner en del av tårnets belastninger. I denne henseende er tårnet dimensjonert for en forutbestemt sum av belastninger i løpet av sin tilsiktede levetid på f. eks. 20 år.

Hver belastning yter et bidrag til materialutmatting. Det er derfor lett å forstå at utmattingen skrider raskere frem på steder med et stort antall høye belastninger, enn på steder med få og lave belastninger.

Ved antatt lik alder på tårnene uttrykt i tid fremkommer det her altså en forskjellig "mekanisk" alder. Det kan her forekomme at det mindre belastede tårn ved oppnåelse av sin tids-aldersgrense på 20 år mekanisk bare har opplevd en belastning som ved dimen-sjoneringen var planlagt allerede etter 15 år, slik at det med sikkerhet fremdeles kan forbli i drift. Selvsagt kan man også tenke seg det omvendte tilfelle ved hvilket et tårn allerede etter 15 år har oppnådd en mekanisk alder på 20 år.

I dokumentet US 4733361 A beskrives en anordning for å bestemme levetiden for bruk av et gir i et roterende girsystem.

I DEWI Magazin, Nr. 15, August 1999"DEWI/MADE Load measurements in Spain» (H. Seif ert & F.N.Gonzalez Vives), beskrives vindenergianlegg som er utstyrt med innretninger for å overvåke ytelsen.

Med de tidligere anordninger kan den mekaniske levealder til et tårn fremdeles ikke registreres tilstrekkelig, slik at man til slutt også kan foreta bare vage vurderinger om levetiden til et tårn og dermed til en av de viktigste anleggsdeler av vindkraftanlegget.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning som angitt i krav 1 og en fremgangsmåte som angitt i krav 6, som muliggjør en pålitelig registrering av belastningen på vindkraftanlegget så vel som en pålitelig vurdering av viktige deler av vindkraftanlegget.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen med et vindkraftanlegg med særtrekkene ifølge krav 1. Fordelaktige utførelser er beskrevet i underkravene.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den erkjennelse at alle laster som kan opptre på et vindkraftanlegg, innvirker på anleggets tårn. Når tårnfoten har opplevd halve lastkollektivet, kan de øvrige komponenter, så som blad, maskinbærer, tårnfot, tårn, etc, knapt ha opplevd en signifikant høyere andel av lastkollektivet.

Endelig kan lasten ved tårnfoten ikke tilsvare en situasjon med en vindhastighet på eksempelvis 4 m/s, mens lasten på andre komponenter for eksempel tilsvarer en vindhastighet på 8 m/s. En registrering av belastningen på tårnet tillater altså en etterpå-slutning om de belastninger som vindkraftanlegget på sin standplass totalt er utsatt for.

Da vindkraftanlegget forenklet kan betraktes som en ensidig innspent stav, er det mulig å registrere summen av alle på vindkraftanlegget innvirkende laster ved tårnfoten. En anordning av minst én føler i området for tårnfoten muliggjør altså en pålitelig registrering av belastningen på vindkraftanlegget. Samtidig er føleren oppnåelig uten hjelpemidler og uten store omkostninger.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen skjer registreringen av belastningen ved hjelp av en føler som er basert på SL (strekklapp). Ved hjelp av en slik føler kan belastningen registreres på pålitelig måte med tilstrekkelig nøyaktighet og under anvendelse av en kjent og velprøvd teknikk.

De av strekklappen registrerte måleverdier omformes spesielt foretrukket til analoge eller digitale elektriske signaler som representerer måleverdiene. Disse signaler kan på enkel måte overføres og viderebehandles.

En slik viderebehandling kan være en sanmierdikning med en grenseverdi, for å kunne gjenkjenne f.eks. lastmaksima eller oppnåelse hhv. overskridelse av forutbestemte lastgrenser. Videre kan måleverdiene kumuleres og lagres for en påfølgende bearbeidelse eller vurdering.

Resultatet av kumuleringen kan selvsagt igjen sammenliknes med en forutbestemt grenseverdi. På denne måte er det mulig å betrakte belastningen på anlegget i relasjon til dimensjoneringslastene, og således foreta en vurdering av anleggets mekaniske levealder.

Videre utvikles den irinledningsvis nevnte fremgangsmåte på en slik måte at momentanbelastningen på vindkraftanlegget bestemmes ut fra signaler fra føleren. Da man ved omfattende målinger på prototypen på et vindkraftanlegg også bestemmer korrelasjonen av lastsituasjonene ved forskjellige komponenter av vindkraftanlegget, står det til disposisjon data som tillater en tilbakeslutning ut fra tårnfotlasten angående belastningen på de øvrige komponenter.

Ved hjelp av en kumulering av alle fastslåtte belastninger kan totalbelastningen på vindkraftanlegget og dermed dettes mekaniske levealder bestemmes.

Ved hjelp av en korrelasjon av den momentane belastning med den momentane vind kan det kontrolleres om den fastslåtte momentanbelastning på vindkraftanlegget svarer til en tilnærmet forventet størrelsesorden. På denne måte kan den feilfrie funksjon av innretningen ifølge oppfinnelsen overvåkes.

De målte belastningsdata kan også viderebehandles i en styreanordning i vindkraftanlegget på en slik måte at styreanordningen ved opptreden av en overbelastning griper til forholdsregler som fører til en reduksjon av belastningen. En slik reduksjon av belastningen kan eksempelvis skje ved omstilling av rotorbladene (ut av vinden), eller også ved en reduksjon av turtallet til vindkraftanleggets rotor. For reduksjon av belastningen kan også hele rotoren i vindkraftanlegget dreies en bestemt vinkel ut av vinden.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fører til en angivelse av den av vindkraftanlegget til dato erfarte lastsum i relasjon til dimensjoneringslastene. Denne relasjon kan på samme måte som de enkelte måleverdier og/eller den kumulerte belastning lagres og/eller bearbeides i anlegget. Videre kan disse data f. eks. regelmessig overføres til et fjerntliggende sted, så som en fjernovervåking, eller oppkalles derfra.

I det følgende skal et eksempel på en utførelsesform av oppfinnelsen beskrives under henvisning til tegningene, der

fig. 1 viser en forenklet fremstilling av et vindkraftanlegg,

fig. 2 viser en anordning av følere, og

fig. 3 viser et flytskjema av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Fig. 1 viser et tårn 10 i et vindkraftanlegg som er forbundet med et fundament 12. Ved tårnets 10 hode er det anordnet en gondol 14 som oppviser en rotor med rotorblad 16. Pilene på denne figur antyder vmdretningen.

Ved hjelp av vinden blir på den ene side rotoren og dermed den etterfølgende, mekanisk koplede del av vindkraftanlegget satt i rotasjon for å frembringe elektrisk energi. Samtidig blir imidlertid på grunn av vindtrykket på den ene side tårnet 10 påvirket og på den annen side gondolen 14 med rotoren avbøyd i retning av vinden. På det ensidig innspente tårn 10 oppstår det derved på fundamentet 12 et bøyemoment via tårnlengdens vektarm.

På grunn av leraftvirkningen ved tårnhodet fremkommer et kraftforløp over den totale tårnlengde, slik at de vekslende belastninger hhv. svingninger bevirker tilsvarende materialutmatting.

På fig. 2 er det vist en anordning av to følere 20 i området for tårnfoten. Disse følere 20 kan f.eks. arbeide på grunnlag av SL (strekklapper) og registrere påkjenningen eller belastningen ved tårnfoten. Denne belastning tillater en ganske nøyaktig konklusjon med hensyn til den totale belastning av vindkraftanlegget. I stedet for anordningen av bare to følere kan det iblant også være fordelaktig å anordne et stort antall følere fordelt over omkretsen av tårnfoten, for således å stille til disposisjon følere for flere hovedvindretninger på en slik måte at disse kan fastlegge de aktuelle opptredende, maksimale strekk/trykk-belastninger på tårnfoten.

Videre kan de med følerne fastlagte signaler/data viderebehandles i en styreinnret-ning i vindkraftanlegget (ikke vist) på en slik måte at den totale belastning på vind kraftanlegget reduseres ved engangs, flere gangers eller tidvis overskridelse av forutbestemte maksimalverdier, idet eksempelvis turtallet av vindkraftanleggets rotor reduseres ved hjelp av styringen, og/eller de enkelte rotorblad dreies en forutbestemt vinkel ut av vinden på en slik måte at den på grunn av rotoren eller dennes vindregistrering innvirkende belastning reduseres.

Denne andre anordning 40 kan registrere og vurdere eller bearbeide de elektriske signaler. Måleverdiene kan for eksempel sammenliknes med en første grenseverdi som markerer en forutbestemt belastningsgrense. Dersom måleverdien oppnår eller overskrider denne første grenseverdi, kan det utløses et signal som indikerer nettopp dette.

Dersom en slik oppnåelse/overskridelse av grenseverdien, altså i det foreliggende eksempel en belastningsgrense, opptrer på gjentatt måte, tillater dette en konklusjon med hensyn til en systematisk avvikelse av på forhånd trufne belastningsantakelser. Deretter kan årsaken til dette, så som f. eks. en falsk styring av vindkraftanlegget eller en standplassavhengig ekstremsituasjon, avgrenses, slik at botemidler kan skaffes.

Ved hjelp av en fortsatt, kumulert opptegning og en kontinuerlig sarimierdikning med dimensjoneringslastene, kan den mekaniske aldring av tårnet stadig overvåkes.

Lagringen av belastningsdataene har også den fordel at det ved eventuelt opptredende skader på vindkraftanleggets tårn er lettere å skaffe bevis for om bestemte overlastfaser har inntruffet og om de maksimalt opptredende belastninger er blitt overholdt.

Endelig er det også en fordel når de målte lastdata for et vindkraftanlegg registreres sentralt, og i det tilfelle at de målte belastningsdata hyppig eller stadig overskrider en bestemt maksimalverdi, kan det fra operatørens side til riktig tid treffes foranstaltninger som hindrer den for tidlige mekaniske aldring av tårnet. En slik foranstaltning kan eksempelvis også bestå i å forsterke bestemte elementer av vindkraftanlegget, innbefattet for eksempel tårnet.

I stedet for en strekklapp kan det for belastningsregistrering også benyttes enhver annen anordning ved hjelp av hvilken strekkrefter og/eller trykkrefter og/eller torsjonskrefter og/eller svingninger hhv. disses amplituder i tårnet, særlig i tårnspissen på et vindkraftanlegg, kan registreres.

Fig. 3 viser et flytskjema for en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen. Prosessen starter med trinn 50, og i trinn 51 registreres måleverdien. I trinn 52 sammenliknes den registrerte måleverdi med en første grenseverdi. Dersom måleverdien overskrider denne første grenseverdi, angis nettopp dette i trinn 53. Dersom måleverdien ikke overskrider den første grenseverdi, overhoppes trinn 53.

I trinn 54 kumuleres måleverdiene, slik at den hittil av vindkraftanlegget erfarte totalbelastning fastslås. Denne totalbelastning settes i trinn 55 i relasjon til dimensjoneringslastene. Ut fra dette kan den mekaniske levealder avleses, altså det av vindkraftanlegget allerede erfarte lastkollektiv i relasjon til dimensjonerings-lastkollektivet. Denne relasjon fremstilles i trinn 56, før prosessen ender i trinn 57.

Fremstillingen kan f.eks. skje etter en dataoverføring til en fjernovervåkingssentral eller hos operatøren av vindkraftanlegget, og ha form av et bjelkediagram, et sektordiagram eller enhver annen egnet fremstillingsform.

Claims (11)

1. Vindkraftanlegg med en innretning for overvåking av belastningen på deler av vindkraftanlegget eller hele vindkraftanlegget, idet irinretningen er anordnet i området for vindkraftanleggets tårnfot og oppviser midler ved hvilke belastningene på tårnet i området for tårnfoten er målbare,karakterisert vedat vindkraftanlegget oppviser en styreanordning som bearbeider dataene som skal måles for registrering av tårnets belastning, og som styrer vindkraftanlegget på en slik måte at det skjer en reduksjon av omdreiningstallet av vindkraftanleggets rotor og/eller en senkning av vindkraftanleggets belastning ved hjelp av omstilling av rotorbladene når de målte data overskrider en bestemt maksimalverdi én gang, flere ganger og/eller over et visst tidsrom.

2. Vindkraftanlegg ifølge krav 1,karakterisert vedat innretningen for registrering av tårnets belastning i området for tårnfoten er en føler som er basert på strekklapper (SL).

3. Vindkraftanlegg ifølge krav 1 eller 2,karakterisert veden første anordning (30) for omforming av de (av føleren (20)) registrerte måleverdier til analoge eller digitale elektriske signaler som representerer måleverdiene.

4. Innretning ifølge krav 3,karakterisert veden andre anordning (40) for registrering av de elektriske signaler og for sammenlikning av den ved hjelp av signalet representerte måleverdi med minst én forutbestemt, første grenseverdi, og for fremvisning, når grenseverdien oppnås eller overskrides, og/eller for lagring og/eller kumulering av de ved hjelp av det elektriske signal representerte måleverdier.

5. Innretning ifølge ett av de foregående krav,karakterisert veden anordning for overføring av signaler som representerer enkelte måleverdier og/eller de kumulerte måleverdier og/eller en relasjon mellom de kumulerte måleverdier og en forutbestemt andre grenseverdi.

6. Fremgangsmåte for overvåking av et vindkraftanlegg, i hvilket data for belastningen på vindkraftanlegget registreres ved hjelp av en måleverdidataopptaker, måleverdiene lagres og den øyeblikkelige belastning av vindkraftanlegget i sin helhet bestemmes fra måleverdidataene,karakterisert vedat vindkraftanlegget prosesserer dataene som skal måles for å detektere lasten av tårnet ved hjelp av en styreanordning og styrer vindkraftanlegget på en slik måte at det skjer en reduksjon av omdreiningstallet av vindkraftanleggets rotor og/eller en senkning av vindkraftanleggets belastning ved hjelp av omstilling av rotorbladene når de målte data overskrider en bestemt maksimalverdi én gang, flere ganger og/eller over et bestemt tidsrom.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisert vedat de fastslåtte momentanbelastninger kumuleres.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisert vedat den fastslåtte momentanbelastning korreleres med den momentant målte vind.

9. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 6-8,karakterisert vedat måleverdien sammenliknes med en forutbestemt første grenseverdi, og en oppnåelse eller overskridelse av grenseverdien fremvises.

10. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 7-9,karakterisert vedat de kumulerte måleverdier settes i relasjon til en forutbestemt andre grenseverdi.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisert vedat relasjonen mellom de kumulerte måleverdier og den andre grenseverdi fremstilles.