WO1999005414A1 - Windenergieanlage - Google Patents

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WO1999005414A1
WO1999005414A1 PCT/EP1998/003776 EP9803776W WO9905414A1 WO 1999005414 A1 WO1999005414 A1 WO 1999005414A1 EP 9803776 W EP9803776 W EP 9803776W WO 9905414 A1 WO9905414 A1 WO 9905414A1
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine with a rotor with at least one rotor blade for converting the flow energy of the wind into mechanical energy, with an adjusting device for individually adjusting at least one rotor blade, with a generator for converting the mechanical energy of the rotor into electrical energy and with an operative connection between the rotor and the generator for transferring the mechanical energy of the rotor to the generator.
  • Such wind turbines are part of the prior art.
  • the German textbook "Windkraftanlagen” by Erich Hau, Springer-Verlag, 2nd edition, 1 996, pages 52, 1 75, 222 to 242, 269, 320 shows such wind turbines.
  • the rotor speed and the power output can be regulated with the aid of a rotor blade adjustment angle control.
  • the known rotor blade pitch control serves to protect the rotor against overspeed at high wind speeds or in the event of a power failure in which the generator torque suddenly ceases. In both cases, the aim is to protect the wind turbine against destruction by a rotor that is rotating too high.
  • the blade pitch angle can be reduced in the direction of smaller aerodynamic pitch angles, in order to reduce the power consumption of the rotor.
  • the critical aerodynamic setting angle the so-called stall condition
  • the latter option offers the advantage of adjustment in a shorter way, but has the disadvantage that the stall (stall) is associated with high loads for the rotor and the entire wind turbine.
  • Both setting options have in common that they only take into account an average wind speed acting on the entire wind energy installation or a certain limiting rotor speed as a start signal for setting the blade angle.
  • the object of the invention is therefore to avoid the above-mentioned problems and to provide a wind power installation in which the loads are reduced which can occur in partial areas of the rotor surface due to local and temporary peaks in the wind speed.
  • a wind power plant of the type mentioned measuring means are provided which determine the instantaneous stress of a part of the wind power plant, control means are provided which determine a desired position for the current stress of at least one rotor blade and the rotor blade with the help adjust the adjusting device accordingly and connecting means are provided which connect the adjusting device and the measuring means to the control means.
  • the wind power plant according to the invention makes it possible, with the aid of the adjusting device for individual adjustment of at least one rotor blade, to adjust the wind power plant to the momentary stresses which are only locally present on a part of the wind power plant, determined by the measuring means, with the aid of the control means. It is thus advantageously achieved that local peaks in the load on the rotor blades, the hub, the final drive and the bearings used are avoided. This in turn has the consequence that the service life of the wind power plant is increased or not unconsciously shortened, since asymmetrical and life-shortening stresses on parts of the wind power plant are largely avoided.
  • the wind power plant according to the invention makes it possible to optimally utilize the current distribution of the wind speeds on the rotor surface and therefore to contribute to an increased power yield of the wind power plant, since all rotor blades are always driven with the desired and therefore optimal blade angle and therefore the efficiency per rotor blade compared to the efficiency of the State-of-the-art wind turbines are increasing.
  • the position of the rotor blade or the rotor blades is continuously adapted to the momentary stress on the wind turbine. In this way, it can be ensured that the wind turbine is continuously driven in the optimal working area and at the same time is protected against peak loads caused by wind speed peaks locally in the rotor area.
  • the measuring means for determining the local stress on a rotor blade determine a wind speed prevailing on the rotor blade.
  • the measuring means preferably have an anemometer attached to the rotor blade.
  • the fact that the anemometer is arranged directly on the rotor blade enables a very precise control of the angular position of the rotor blade in response to an increased or lower wind speed. Because by measuring the wind speed directly at the location at which the wind turbine is also adjusted, namely directly on the rotor blade to be adjusted, the rotor blade angle position can be quickly and precisely adapted to local changes in the wind speed.
  • Another preferred embodiment is characterized in that the measuring means determine a mechanical load prevailing in a partial section of the rotor area.
  • the direct determination of the mechanical load present in a partial section of the rotor gives the control means precise information with the aid of which they can determine a desired position of at least one adjustable rotor blade, taking into account the predetermined geometry, load and / or material data .
  • the measuring means determine a mechanical load prevailing in the adjustable rotor blade. Because by determining the load directly in the rotor blade, very precise information about the wind strength profile over the rotor surface can be obtained, similar to the above-mentioned direct determination of the wind speed on the rotor blade. With such precise information, the control means are then able to control a particularly precise reaction of the adjusting device, so that an existing load peak in a section of the rotor can be reduced very quickly.
  • a further embodiment of the invention with a rotor hub for receiving the rotor blades has measuring means which measure a mechanical load present in the rotor hub.
  • the rotor blades can be quickly adapted to the changed load situation.
  • Embodiments with an axle journal for mounting the rotor in which the measuring means determine a load prevailing in the axle journal, and in a wind energy installation with a drive shaft, which connects the rotor and generator directly or via a transmission, in which the measuring means one in the drive shaft or in Determine the load prevailing in the bearings of the drive shaft or the journal.
  • the measuring means for measuring the mechanical load have stretch marks which are attached to the respective loaded parts of the wind turbine. That is, the stretch marks can be attached to the rotor blade, inside the rotor blade, on the rotor hub or inside the rotor hub, on the axle journal or inside the axle journal, on the drive shaft or inside the drive shaft or on the bearings.
  • Another preferred embodiment of the invention has measuring means which determine a prevailing angle of the wind on the rotor blade to be adjusted. This advantageously makes it possible to determine the wind direction of the incoming wind relative to the rotor blade to be adjusted. With the aid of this measured value, the control means can also react to a change in wind direction present in a partial area of the rotor.
  • the control means get a very precise picture of the current wind conditions over the rotor surface: by means of the load measuring means the control means can take into account an absolutely existing load and the measuring means for determining the inflow angle can also - taking into account the actual rotor blade position - an exact determination of the size of the angle to be adjusted can be made.
  • a precise adjustment in the case of rapidly changing wind conditions is thus advantageously ensured by the combined use of inflow angle measurement and load measurement in the rotor blades. It is particularly preferred to measure the angle of attack by a wind vane attached to the rotor blade.
  • Another preferred embodiment of the invention is characterized in that a partial section of a rotor blade can be adjusted asynchronously to at least one further adjustable partial section of another rotor blade.
  • the design effort can be reduced by preferably making the outer partial section of the rotor blade adjustable, since the power generation of the rotor is largely concentrated on the outer blade region.
  • the position of the rotor blade or blades desired for a specific instantaneous load can be specified via input means connected to the control means.
  • the wind power plant according to the invention can be adapted on site after installation to possibly unforeseen wind conditions or after a repair to changed material thicknesses or to changed rotor blade profiles.
  • An advantageous method for adapting a wind energy installation to current stresses prevailing only in a local subsection of the wind energy installation is characterized in that the instantaneous loading of a part of the wind energy installation is recorded by measuring means and a position of at least one of the rotor blades desired for the current load is determined by control means and that the rotor blade is correspondingly adjusted with the aid of the adjusting device, the adjusting device and the measuring means being connected to the control means with the aid of connecting means.
  • Figure 1 is a partial section through a wind turbine according to the invention
  • Figure 2 is a front view of a wind turbine according to the invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the control of the adjustable
  • Rotor blade in a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a wind turbine 1 in a partial section.
  • the wind turbine 1 rests on a tower 2 (only partially shown).
  • a housing 4 is placed on the tower.
  • the housing 4 has in its rear part (shown in the drawing, shown on the right) a generator (not shown) and a control unit 8 shown in broken lines.
  • the generator is located behind a bulge 10 of the housing 4 and is flanged to the rotor hub 14 with its rotor (not shown) via connecting elements 12.
  • the rotor hub 14 and the (only partially shown) rotor blades 1 6 together form the rotor 1 8.
  • the rotor 1 8 is mounted with its rotor hub 14 on a journal 22 via bearings 20.
  • the axle journal 22 projects through an opening 24 provided in the rotor hub 14 through the rotor hub 14.
  • the journal 22 is connected to the tower 2 inside the housing 4 on the tower side. From the tower 2 to be erected essentially vertically, the journal 22 protrudes slightly tilted upwards relative to the horizontal.
  • the journal 22 is connected to the stator of the generator (not shown) and projects through the rotor of the generator and through the opening 24 of the rotor hub 1 4 and, after it emerges from the opening 24, on the side of the rotor facing away from the tower 2 1 8 completed by a termination piece 26.
  • the front housing 30 is movable relative to the housing 4 which is fixedly connected to the tower 2 and is fixedly connected to the hub 14.
  • the rotor blades 16 are connected via a flange connection to the rotor hub 14 so as to be rotatable about its longitudinal axis.
  • An adjusting motor 34 is attached to the flange connection 32 and adjusts the rotor blade 1 6 via an adjusting gear 36.
  • the adjusting motor 34 and the adjusting gear 36 are connected to the control unit 8 via electrical connections 50 and 46 (shown in FIG. 3).
  • the front housing 30 encloses the rotor hub 14 with the bearings 20, the flange connection 32, the adjusting motor 34 and the adjusting gear 36 in a weatherproof manner.
  • the front housing 30 has a substantially hemispherical shape in cross section.
  • stretch marks 38 there are stretch marks 38 on the journal 22. There are stretch marks 40 on the rotor hub 1 4. The stretch marks 38 are connected to the control unit 8 via an electrical connection 42. The stretch marks 40 are connected to the control unit 8 via an electrical connection 48 (shown in FIG. 3).
  • FIG. 2 shows parts of the wind turbine 1 of Figure 1 seen from the rotor side.
  • FIG. 2 shows the tower 2 with the rotor hub 14 attached to its tip.
  • Three rotor blades 1 6 extend from the rotor hub 14 in a star shape.
  • the rotor blades 1 6 are connected to the rotor hub 1 4 via the flange connections 32.
  • the front housing 30, the adjusting motor 34, the adjusting gear 36, the axle 22, the opening 24 and the end piece 26 from FIG. 1 are not shown.
  • wind vanes 44 are attached to measure the angle of attack of the wind hitting the rotor blades 1 6.
  • the wind vanes 44 are connected to the control unit 8 (FIG. 1) via an electrical connection 52 (shown in FIG. 3).
  • the rotor 18 rotates about the axis of the axle journal 22.
  • the rotor blades 1 6 have a certain angular position, predetermined with the aid of the control unit 8, the adjusting motor 34 and the adjusting gear 36, relative to the plane in which the rotor blades 1 6 rotate, on the rotor plane.
  • the instantaneous angular currently ⁇ c 'he rotor blades 1 to the rotor plane 6 is supplied to the control unit 8 of the adjusting exceed 1 6 as the actual value of the instantaneous position of the rotor blade 1 6 via an electrical connection 46 relative averages.
  • control unit 8 receives measurement values from the expansion strips 38, which are fastened to the axle journal 22, about the momentary load on the axle journal 22 via the line 42 ("axle journal load signal” in FIG. 3). Also simultaneously with the transmission of the instantaneous setting angle of the rotor blades 1 6, the control unit 8 receives measured values from the stretch marks 40 on the rotor hub via the line 48 about the current load on the rotor hub 1 4 (“load signal hub” of FIG. 3).
  • control unit 8 uses the expansion strips 38, 40 to determine a one-sided load on the rotor, the control unit 8 outputs a signal ⁇ new , taking into account the current actuation angle »currently the rotor blades 36 and the current inflow angle ⁇ determined by the wind vane 44 Line 50 to the adjusting motor 34 for adjusting the corresponding rotor blade 1 6 by the difference ⁇ new - »currently-
  • control unit 8 continuously receives the measured values of the stretch marks 38 and 40 and quasi instantaneously issues the work command to the adjusting motor 34 for setting a new angle of the rotor blades 1 6, taking into account the inflow angle ⁇ which is also continuously transmitted to the control unit 8 via the line 52, If the load conditions in the area of the rotor change, the position of the rotor blades 1 6 is adjusted on-line and thus an on-line compensation of asymmetrical loads on the rotor 1 8 takes place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor mit mindestens einem Rotorblatt zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie, mit einer Verstellvorrichtung zur individuellen Verstellung mindestens eines Rotorblattes, mit einem Generator zur Umwandlung der mechanischen Energie des Rotors in elektrische Energie und mit einer Wirkverbindung zwischen dem Rotor und dem Generator zur Übertragung der mechanischen Energie des Rotors auf den Generator. Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Probleme zu vermeiden und eine Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, bei der die Belastungen reduziert werden, die aufgrung lokaler und vorübergehender Spitzen in der Windgeschwindigkeit in Teilbereichen der Rotorfläche auftreten können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Windenergieanlage der eingangs genannten Art Meßmittel Anemometer (44) auf dem Rotorblatt vorgesehen sind, die die momentane Beanspruchung eines Teils der Windenergieanlage ermitteln, Steuermittel vorgesehen sind, die eine für die momentane Beanspruchung gewünschte Stellung mindestens eines Rotorblattes ermitteln und das Rotorblatt mit Hilfe der Verstellvorrichtung entsprechend verstellen und Verbindungsmittel vorgesehen sind, die die Verstellvorrichtung und die Meßmittel mit den Steuermitteln verbinden.

Description

Windenergieanlage
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor mit mindestens einem Rotorblatt zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie, mit einer Verstellvorrichtung zur individuellen Verstellung mindestens eines Rotorblattes, mit einem Generator zur Umwandlung der mechanischen Energie des Rotors in elektrische Energie und mit einer Wirkverbindung zwischen dem Rotor und dem Generator zur Übertragung der mechanischen Energie des Rotors auf den Generator.
Derartige Windenergieanlagen gehören zum Stand der Technik. So zeigt z.B. das deutsche Fachbuch "Windkraftanlagen" von Erich Hau, Springer-Verlag, 2. Aufl., 1 996, Seiten 52, 1 75, 222 bis 242, 269, 320 derartige Windenergieanlagen. Bei diesen bekannten Windenergieanlagen läßt sich mit Hilfe einer Rotorblatteinstell- winkelregelung die Rotordrehzahl und die Leistungsabgabe regeln. Darüber hinaus dient die bekannte Rotorblatteinstellwinkelregelung dem Schutz gegen Überdrehzahl des Rotors bei hohen Windgeschwindigkeiten oder bei einem Netzausfall, bei dem das Generatormoment plötzlich wegfällt. In beiden Fällen geht es darum, die Windenergieanlage gegen Zerstörung durch einen zu hoch drehenden Rotor zu schützen. Dabei gibt es im wesentlichen zwei Wege, mit Hilfe der Blattverstellung eine Reduzierung der Rotordrehzahl herbeizuführen: zum einen läßt sich der Blatteinstellwinkel in Richtung kleinerer aerodynamischer Anstellwinkel reduzieren, um somit die Leistungsaufnahme des Rotors zu reduzieren. Andererseits ist es möglich, durch die Verstellung des Rotorblatteinstellwinkels zu größeren Einstellwinkeln den kritischen aerodynamischen Anstellwinkel, den sogenannten Stall-Zustand zu erreichen. Letztere Möglichkeit bietet den Vorteil der Verstellung auf kürzerem Weg, bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß der Strömungsabriß (Stall) mit hohen Belastungen für den Rotor und die gesamte Windenergieanlage verbunden ist. Beiden Einstellmöglichkeiten ist jedoch gemeinsam, daß sie nur eine mittlere, auf die gesamte Windenergieanlage einwirkende Windgeschwindigkeit bzw. eine bestimmte Grenzrotordrehzahl als Startsignal zur Blattwinkeleinstellung berücksichtigen.
Beide vorgenannten Möglichkeiten des Standes der Technik berücksichtigen nicht, daß es insbesondere bei einem großen Rotordurchmesser zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Windverhältnisse über die Rotorfläche kommen kann. Dies hat wiederum unterschiedliche Belastungen auf einzelne Rotorblätter, sowie asymmetrische Belastungen für den Antriebsstrang der Windenergieanlage, d.h. die Nabe, die Antriebswelle und die jeweiligen Lager zur Folge. Derartige unterschiedliche asymmetrische Belastungen treten jedoch nicht nur erst ab einer bestimmten Rotordrehzahl oder einer bestimmten Windgeschwindigkeit auf, sondern finden ständig auch während des normalen Betriebs der Windenergieanlage statt. Die bisher aus dem Stand der Technik bekannte Blattwinkelregelung kann daher nicht auf Windgeschwindigkeitsschwankungen und damit verbundene Lastschwankungen im Rotorbereich reagieren, da bei den bekannten Anlagen eine einheitliche, synchrone Verstellung der Rotorblätter stattfindet.
Bei neueren Anlagen (siehe insbesondere S. 238 des oben genannten Fachbuches) ist zwar zum einen eine individuelle elektrische Verstellung jedes einzelnen Rotorblattes vorgeschlagen worden; jedoch findet auch dieser Vorschlag unter der Annahme einer mittleren Windgeschwindigkeit statt, die auf die Windenergieanlage einwirkt. Mit dieser und der weiteren Annahme, daß die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt, wird dann eine feste, umlaufzyklische Korrektur des Rotorblatteinstellwinkels vorgeschlagen, um die Wechsellasten auf der Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe zumindest teilweise ausregeln zu können. Auch bei dieser Rotorblatteinstelltechnik ist es nachteilig, daß der Einstell winkel der Rotorblätter fest vorgegeben ist und daher nicht auf lokale und vorübergehende Änderungen der Windgeschwindigkeit in einem Teilbereich des Rotors reagieren kann. Auch bei die- sem Vorschlag findet daher bei über der Rotorfläche gesehenen lokalen Spitzen in der Windgeschwindigkeit eine asymmetrische und somit lebensdauerverkürzende Belastung der Bestandteile der Windenergieanlage statt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Probleme zu vermeiden und eine Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, bei der die Belastungen reduziert werden, die aufgrund lokaler und vorübergehender Spitzen in der Windgeschwindigkeit in Teilbereichen der Rotorfläche auftreten können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Windenergieanlage der eingangs genannten Art Meßmittel vorgesehen sind, die die momentane Beanspruchung eines Teils der Windenergieanlage ermitteln, Steuermittel vorgesehen sind, die eine für die momentane Beanspruchung gewünschte Stellung mindestens eines Rotorblattes ermitteln und das Rotorblatt mit Hilfe der Verstellvorrichtung entsprechend verstellen und Verbindungsmittel vorgesehen sind, die die Verstellvorrichtung und die Meßmittel mit den Steuermitteln verbinden.
Durch die erfindungsgemäße Windenergieanlage wird es ermöglicht, mit Hilfe der Verstellvorrichtung zur individuellen Verstellung mindestens eines Rotorblattes die Windenergieanlage auf momentane, nur an einem Teil der Windenergieanlage lokal anliegende Beanspruchungen, von den Meßmitteln ermittelt, mit Hilfe der Steuermittel abzustimmen. Somit wird vorteilhaft erreicht, daß lokale Spitzen in der Belastung der Rotorblätter, der Nabe, des Achsantriebs und der verwendeten Lager vermieden werden. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Lebensdauer der Windenergieanlage heraufgesetzt bzw. nicht unbewußt verkürzt wird, da asymmetrische und die Lebensdauer verkürzende Beanspruchungen von Teilen der Windenergieanlage weitgehend vermieden werden.
Darüber hinaus ermöglicht es die erfindungsgemäße Windenergieanlage die momentane Verteilung der Windgeschwindigkeiten auf der Rotorfläche optimal auszunützen und daher zu einer erhöhten Leistungsausbeute der Windenergieanlage beizutragen, da alle Rotorblätter immer mit dem gewünschten und somit optimalen Blattwinkel gefahren werden und daher der Wirkungsgrad pro Rotorblatt gegenüber dem Wirkungsgrad der Windenergieanlagen aus dem Stand der Technik ansteigt.
Besonders bevorzugt ist es, daß die Stellung des Rotorblattes oder der Rotorblätter ununterbrochen der momentanen Beanspruchung der Windenergieanlage angepaßt wird. Auf diese Art und Weise läßt sich sicherstellen, daß die Windenergieanlage kontinuierlich im optimalen Arbeitsbereich gefahren wird und gleichzeitig vor Belastungsspitzen, ausgelöst durch lokal im Rotorbereich vorhandene Spitzen in der Windgeschwindigkeit, geschützt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermitteln die Meßmittel zur Ermittlung der lokalen Beanspruchung eines Rotorblattes eine am Rotorblatt vorherrschende Windgeschwindigkeit. Zu diesem Zweck weisen die Meßmittel bevorzugt ein auf dem Rotorblatt angebrachtes Anemometer auf. Dadurch, daß das Anemometer direkt auf dem Rotorblatt angeordnet ist, ist eine sehr präzise Steuerung der Winkelstellung des Rotorblattes als Reaktion auf eine erhöhte oder niedrigere Windgeschwindigkeit möglich. Denn durch die Messung der Windgeschwindigkeit direkt an dem Ort, an dem auch eine Verstellung der Windenergieanlage stattfindet, nämlich direkt am zu verstellenden Rotorblatt, ist eine schnelle und genaue Anpassung der Rotorblattwinkelstellung an lokale Veränderungen der Windgeschwindigkeit möglich.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Meßmittel eine in einem Teilabschnitt des Rotorbereichs vorherrschende mechanische Last ermitteln. Bei dieser Ausführungsform wird durch die direkte Ermittlung der in einem Teilabschnitt des Rotors anliegenden mechanischen Belastung den Steuermitteln eine präzise Information gegeben, mit deren Hilfe sie unter Berücksichtigung der vorgegebenen Geometrie-, Last- und/oder Materialdaten eine gewünschte Stellung mindestens eines verstellbaren Rotorblattes ermitteln können.
Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist es, wenn die Meßmittel eine in dem verstellbaren Rotorblatt vorherrschende mechanische Last ermitteln. Denn indem die Last direkt im Rotorblatt ermittelt wird, kann ähnlich wie bei der oben genannten direkten Ermittlung der Windgeschwindigkeit am Rotorblatt, eine sehr präzise Information über das Windstärkenprofil über der Rotorfläche gewonnen werden. Mit einer derart genauen Information sind die Steuermittel dann in der Lage, eine besonders genaue Reaktion der Verstellvorrichtung zu steuern, so daß eine vorhandene Lastspitze in einem Teilabschnitt des Rotors sehr schnell abgebaut werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer Rotomabe zur Aufnahme der Rotorblätter weist Meßmittel auf, die eine in der Rotornabe vorhandene mechanische Last messen. Auch bei dieser Ausführungsform läßt sich eine schnelle Anpassung der Rotorblätter an die veränderte Lastsituation vornehmen. Gleiches gilt für Ausführungsformen mit einem Achszapfen zur Lagerung des Rotors, bei dem die Meßmittel eine in dem Achszapfen vorherrschende Last ermitteln und bei einer Windenergieanlage mit einer Antriebswelle, die Rotor und Generator unmittelbar oder über ein Getriebe miteinander verbindet, bei der die Meßmittel eine in der Antriebswelle oder in den Lagern der Antriebswelle oder des Achszapfens vorherrschende Last ermitteln. Alle vorgenannten Ausführungsformen ermöglichen eine genaue Bestimmung der lokalen Lastverhältnisse im Rotorbereich und somit eine genaue Steuerung der Verstellvorrichtung mittels der Steuermittel. Dabei ist es besonders bevorzugt, daß die Meßmittel zur Messung der mechanischen Last Dehnungsstreifen aufweisen, die an den jeweiligen belasteten Teilen der Windenergieanlage angebracht sind. Das heißt, die Dehnungsstreifen können auf dem Rotorblatt, im Innern des Rotorblattes, auf der Rotornabe oder im Innern der Rotornabe, auf dem Achszapfen oder im Innern des Achszapfens, auf der Antriebswelle oder im Innern der Antriebswelle oder an den Lagern angebracht sein. In allen vorgenannten Anbringungsvarianten ist eine einfache Bestimmung der vorhandenen mechanischen Belastung und somit die erfindungsgemäße individuelle Verstellung des Rotorblattes möglich.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist Meßmittel auf, die einen an dem zu verstellenden Rotorblatt vorherrschenden Anströmwinkel des Windes ermitteln. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, auch die Windrichtung des anströmenden Windes relativ zum zu verstellenden Rotorblatt zu bestimmen. Mit Hilfe dieses Meßwertes können die Steuermittel auch auf eine in einem Teilbereich des Rotors vorhandene Windrichtungsänderung reagieren.
Insbesondere in Verbindung mit den oben genannten Lastmeßmitteln erhalten die Steuermittel ein sehr genaues Bild über die momentanen Windverhältnisse über der Rotorfläche: durch die Lastmeßmittel können die Steuermittel eine absolut vorhandene Last berücksichtigten und durch die Meßmittel zur Bestimmung des Anströmwinkels kann darüber hinaus auch - unter Berücksichtigung der tatsächlichen Rotorblattstellung - eine genaue Bestimmung der Größe des zu verstellenden Winkels vorgenommen werden. Eine genaue Anpassung bei sich rasch ändernden Windverhältnissen ist somit durch die kombinierte Anwendung von Anström winkelmessung und Lastmessung in den Rotorblättern vorteilhaft sichergestellt. Dabei ist es besonders bevorzugt, die Messung des Anströmwinkels durch eine am Rotorblatt angebrachte Windfahne vorzunehmen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Teilabschnitt eines Rotorblattes asynchron zu mindestens einem weiteren verstellbaren Teilabschnitt eines anderen Rotorblattes verstellbar ist. Somit läßt sich insbesondere bei großen Rotordurchmessern der konstruktive Aufwand verringern, indem bevorzugt der äußere Teilabschnitt des Rotorblattes, da sich die Leistungserzeugung des Rotors weitgehend auf den äußeren Blattbereich konzentriert, verstellbar ausgeführt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung läßt sich die für eine bestimmte momentane Beanspruchung gewünschte Stellung des oder der Rotorblätter über mit den Steuermitteln verbundene Eingabemittel vorgeben. Auf diese Art und Weise kann die erfindungsgemäße Windenergieanlage vor Ort nach dem Aufstellen an gegebenenfalls unvorhergesehene Windverhältnisse oder nach einer Reparatur an geänderte Materialstärken oder an geänderte Rotorblattprofile angepaßt werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Ist-Wert der Rotorblattwinkelstellung von einem Verstellgetriebe abzugreifen, welches zusammen mit einem Ver- stellmotor die Verstellvorrichtung bildet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Steuermittel die Verstellung des Rotorblattes praktisch gleichzeitig mit der Erfassung der Meßwerte aus den Dehnungsstreifen, dem Anemometer oder der Windfahne nach Abgleich mit dem Ist-Wert des Verstellgetriebes mittels des Ver- stellmotors vornehmen. Durch eine solche instantane Reaktion auf Belastungsänderungen im Bereich der Rotorblätter ist eine wirksame Vermeidung von schädlichen Belastungen oder einseitigen Belastungen des Rotors gewährleistet.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Anpassung einer Windenergieanlage an nur in einem lokalen Teilabschnitt derWindenergieanlage vorherrschende momentane Beanspruchungen zeichnet sich dadurch aus, daß von Meßmitteln die momentane Belastung eines Teils der Windenergieanlage erfaßt wird und von Steuermitteln eine für die momentane Beanspruchung gewünschte Stellung mindestens eines der Rotorblätter ermittelt wird und daß entsprechend der Rotorblatt mit Hilfe der Verstellvorrichtung entsprechend verstellt wird, wobei die Verstellvorrichtung und die Meßmittel mit den Steuermitteln mit Hilfe von Verbindungsmitteln verbunden sind. Durch dieses einfache Verfahren läßt sich eine wirksame Erhöhung von Lebensdauer und Effizienz der erfindungsgemäßen Windenergieanlage erzielen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 ein teilweiser Schnitt durch eine erfindungsgemäße Windenergieanlage ist;
Figur 2 eine Frontalansicht auf eine erfindungsgemäße Windenergieanlage ist; und
Figur 3 ein Blockschaltbild, welches die Steuerung des verstellbaren
Rotorblattes bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Die Figur 1 zeigt eine Windenergieanlage 1 in einem teilweisen Schnitt. Die Windenergieanlage 1 ruht auf einem (nur teilweise dargestellten) Turm 2. Am oberen Ende des Turmes 2 ist ein Gehäuse 4 auf den Turm aufgesetzt. Unterhalb des Gehäuses 4 liegt eine am Turm angebrachte Wartungsplattform 6. Das Gehäuse 4 weist in seinem (in der Zeichnung geschlossenen, rechts dargestellten) hinteren Teil einen (nicht dargestellten) Generator und ein gestrichelt dargestelltes Steuergerät 8 auf. Der Generator befindet sich hinter einer Auswölbung 1 0 des Gehäuses 4 und ist über Verbindungselemente 1 2 mit seinem (nicht dargestellten) Läufer an der Rotornabe 14 angeflanscht. Die Rotornabe 14 und die (nur teilweise dargestellten) Rotorblätter 1 6 bilden zusammen den Rotor 1 8. Der Rotor 1 8 ist mit seiner Rotornabe 14 über Lager 20 auf einem Achszapfen 22 gelagert. Der Achszapfen 22 ragt durch eine in der Rotornabe 14 vorgesehene Öffnung 24 durch die Rotornabe 14 hindurch. Der Achszapfen 22 ist turmseitig innerhalb des Gehäuses 4 mit dem Turm 2 verbunden. Von dem im wesentlichen vertikal aufzustellenden Turm 2 ragt der Achszapfen 22 gegenüber der Horizontalen leicht nach oben gekippt ab. Der Achszapfen 22 ist mit dem (nicht dargestellten) Stator des Generators verbunden und ragt durch den Läufer des Generators und durch die Öffnung 24 der Rotornabe 1 4 hindurch und wird nach seinem Austritt aus der Öffnung 24 auf der von dem Turm 2 abgewandten Seite des Rotors 1 8 von einem Abschlußstück 26 abgeschlossen.
Wiederum senkrecht zur Achse des Achszapfens 22 erstrecken sich die Rotorblätter 1 6 nach außen. Dabei treten die Rotorblätter 1 6 durch Öffnungen 28 im Vordergehäuse 30 hindurch. Das Vordergehäuse 30 ist beweglich gegenüber dem fest mit dem Turm 2 verbunden Gehäuse 4 und fest mit der Nabe 14 verbunden. Die Rotorblätter 1 6 sind über eine Flanschverbindung mit der Rotornabe 14 drehbar um ihre Längsachse verbunden. Ein Versteilmotor 34 ist an der Flanschverbindung 32 angebracht und verstellt über ein Verstellgetriebe 36 das Rotorblatt 1 6. Der Versteilmotor 34 und das Verstellgetriebe 36 sind über elektrische (in Fig. 3 dargestellte) Verbindungen 50 bzw. 46 mit dem Steuergerät 8 verbunden. Das Vordergehäuse 30 umschließt die Rotornabe 14 mit den Lagern 20, der Flanschverbindung 32, dem VerStellmotor 34 und dem Verstellgetriebe 36 wetterdicht. Das Vordergehäuse 30 weist eine im Querschnitt im wesentlichen halbkugelförmige Form auf.
An dem Achszapfen 22 befinden sich Dehnungsstreifen 38. An der Rotornabe 1 4 befinden sich Dehnungsstreifen 40. Die Dehnungsstreifen 38 sind über eine elektrische Verbindung 42 mit dem Steuergerät 8 verbunden. Die Dehnungsstreifen 40 sind über eine (in Fig. 3 dargestellte) elektrische Verbindung 48 mit dem Steuergerät 8 verbunden.
Die Figur 2 zeigt Teile der Windenergieanlage 1 der Figur 1 von der Rotorseite her gesehen. Figur 2 zeigt den Turm 2 mit der an seiner Spitze angebrachten Rotornabe 14. Von der Rotornabe 14 gehen sternförmig drei Rotorblätter 1 6 aus. Die Rotorblätter 1 6 sind über die Flanschverbindungen 32 mit der Rotornabe 1 4 verbunden. Zur Verdeutlichung der Darstellung sind das Vordergehäuse 30, der Verstellmotor 34, das Verstellgetriebe 36, der Achszapfen 22, die Öffnung 24 und das Abschlußstück 26 aus der Fig. 1 nicht dargestellt.
An den Rotorblättern 1 6 sind Windfahnen 44 zur Messung des Anströmwinkels des auf die Rotorblätter 1 6treffenden Windes angebracht. Die Windfahnen 44 sind über (in Fig.3 dargestellte) elektrische Verbindung 52 mit dem Steuergerät 8 (Fig. 1 ) verbunden.
Anhand des Blockschaltbildes der Figur 3 wird im folgenden die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Windenergieanlage beschrieben.
Während des Betriebes der Windenergieanlage 1 rotiert der Rotor 1 8 um die Achse des Achszapfens 22. Dabei weisen die Rotorblätter 1 6 eine bestimmte, mit Hilfe des Steuergerätes 8, des Versteilmotors 34 und des Verstellgetriebes 36 vorgegebene Winkelstellung relativ zur Ebene, in der die Rotorblätter 1 6 rotieren, der Rotorebene auf. Der momentane Winkel ^momentan c'er Rotorblätter 1 6 relativ zur Rotorebene wird dem Steuergerät 8 von dem Verstellgetriebe 1 6 als Istwert der momentanen Stellung des Rotorblattes 1 6 über eine elektrische Verbindung 46 über- mittelt. Gleichzeitig erhält das Steuergerät 8 von den Dehnungsstreifen 38, die an dem Achszapfen 22 befestigt sind, Meßwerte über die momentane Belastung des Achszapfens 22 über die Leitung 42 ("Lastsignal Achszapfen" der Figur 3). Ebenfalls gleichzeitig mitder Übermittlung des momentanen Stellwinkels der Rotorblätter 1 6 erhält das Steuergerät 8 von den Dehnungsstreifen 40 auf der Rotornabe über die Leitung 48 Meßwerte über die aktuelle Belastung der Rotornabe 1 4 ("Lastsignal Nabe" der Figur 3). Stellt das Steuergerät 8 mit Hilfe der Dehnungsstreifen 38, 40 eine einseitige Belastung des Rotors fest, so gibt das Steuergerät 8 unter Berücksichtigung des momentanen Stellwinkels »momentan der Rotorblätter 36 und des momentanen, von der Windfahne 44 ermittelten Anströmwinkels ß ein Signal σneu über die Leitung 50 an den Versteilmotor 34 zur Verstellung des entsprechenden Rotorblattes 1 6 um die Differenz σneu - »momentan-
Dadurch daß das Steuergerät 8 kontinuierlich die Meßwerte der Dehnungsstreifen 38 und 40 erhält und quasi instantan unter Berücksichtigung des ebenfalls ständig über die Leitung 52 an das Steuergerät 8 übermittelten Anströmwinkels ß den Arbeitsbefehl an den Versteilmotor 34 zur Einstellung eines neuen Winkels der Rotorblätter 1 6 herausgibt, findet on-line mit einer Änderung der Lastverhältnisse im Bereich des Rotors eine Anpassung der Stellung der Rotorblätter 1 6 statt und somit ein on-line-Ausgleich unsymmetrischer Belastungen des Rotors 1 8.
Alternativ zu der Messung der momentanen Beanspruchung der Windenergieanlage durch Dehnungsstreifen an Rotornabe und Achszapfen ist auch eine Belastungsmessung direkt an den Rotorblättern durch entsprechende Dehnungsstreifen denkbar.
Abschließend sei festgehalten, daßdie verschiedenen Signale (das heißt " Lastsignal Nabe" 40, "Lastsignal Achszapfen" 38, "momentaner Winkel »momentan" 46 und "Anströmwinkel ß" 53), die zur Ermittlung des idealen Blattwinkels herangezogen werden, entweder gemeinsam oder auch alternativ verwendet werden können.

Claims

A n s p rü c h e
1. Windenergieanlage (1), mit einem Rotor (18) mit mindestens einem Rotorblatt (16) zur Umwandlung der
Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie, mit einer Verstellvorrichtung (34, 36) zur individuellen Verstellung mindestens eines Rotorblattes (16), mit einem Generator zur Umwandlung der mechanischen Energie des Rotors (18) in elektrische Energie, mit einer Wirkverbindung zwischen dem Rotor (18) und dem Generator zur Übertragung der mechanischen Energie des Rotors (18) auf den Generator, gekennzeichnet durch
Meßmittel (38, 40, 44), die die momentane Beanspruchung eines Teils der Windenergieanlage (1) ermitteln,
Steuermittel (8), die eine für die momentane Beanspruchung gewünschte Stellung mindestens eines Rotorblattes (16) ermitteln und das Rotorblatt (16) mit Hilfe der Verstellvorrichtung (34, 36) entsprechend verstellen, und
Verbindungsmittel (42, 46, 48, 50, 52), die die Verstellvorrichtung (34, 36) und die Meßmittel (38, 40,44) mit den Steuermitteln (8) verbinden.
2. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung des Rotorblattes (16) oder der Rotorblätter (16) ständig der momentanen Beanspruchung der Windenergieanlage (1) angepaßt wird.
3. Windenergieanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) zur Ermittlung der Beanspruchung des Rotorblattes (16) eine am Rotorblatt (16) vorherrschende Windgeschwindigkeit ermitteln.
4. Windenergieanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) zur Messung der Windgeschwindigkeit ein Anemometer aufweisen.
5. Windenergieanlage ( 1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anemometer auf dem Rotorblatt ( 1 6) angeordnet ist.
6. Windenergieanlage (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) eine in einem Teilbereich des Rotors ( 1 8) vorherrschende mechanische Last ermitteln.
7. Windenergieanlage (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) eine in einem verstellbaren Teilabschnitt des Rotors ( 1 8) vorherrschende Last ermitteln.
8. Windenergieanlage (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) eine in dem verstellbaren Rotorblatt ( 1 6) vorherrschende Last ermitteln.
9. Windenergieanlage ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Rotornabe ( 14), dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) eine in der Rotornabe (14) vorherrschende Last ermitteln.
10. Windenergieanlage (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Achszapfen (22) zur Lagerung des Rotors (1 8), dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) eine in dem Achszapfen (22) vorherrschende Last ermitteln.
1 1 . Windenergieanlage ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Antriebswelle, die Rotor ( 1 8) und Generator direkt oder über ein Getriebe verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) eine in der Antriebswelle vorherrschende Last ermitteln.
1 2. Windenergieanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) zur Messung der Last Dehnungsstreifen (38, 40) aufweisen.
1 3. Windenergieanlage (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) einen an dem zu verstellenden Rotorblatt (16) vorherrschenden Anströmwinkel des Windes ermitteln.
14. Windenergieanlage (1 ) nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (38, 40, 44) zur Messung des Anströmwinkels eine an dem Rotorblatt ( 1 6) angebrachte Windfahne (44) aufweisen.
1 5. Windenergieanlage ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit mindestens zwei Rotorblättern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Rotorblatt ( 1 6) asynchron zu dem oder den anderen verstellbar ist.
1 6. Windenergieanlage ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teilabschnitt mindestens eines Rotorblattes ( 1 6) asynchron zu mindestens einem weiteren verstellbaren Teilabschnitt desselben Rotorblattes (1 6) oder zu dem oder den anderen Rotorblättern (1 6) oder deren Teilabschnitten verstellbar ist.
1 7. Windenergieanlage ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die für eine bestimmte momentane Beanspruchung gewünschte Stellung des oder der Rotorblätter (1 6) über mit den Steuermitteln (8) verbundene Eingabemittel vorgeben läßt.
1 8. Windenergieanlage (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (34, 36) zur Verstellung des Rotorblattes (1 6) einen VerStellmotor (34) und ein von diesem angetriebenes Verstellgetriebe (36) aufweist, wobei die Steuermittel (8) von dem Verstellgetriebe (36) einen Istwert über die momentane Stellung des Rotorblattes (1 6) erhalten und über den Verstellmotor (34) das Rotorblatt (1 6) verstellen.
1 9. Windenergieanlage ( 1 ) nach Anspruch 1 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (8) die Verstellung des Rotorblattes (1 6) quasi gleichzeitig mit der Erfassung der Meßwerte vornehmen.
20. Windenergieanlage ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windenergieanlage ( 1 ) vom Horizontalachsentyp ist.
21 . Windenergieanlage ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1 8) ein Luvläufer ist.
22. Verfahren zur Anpassung einer Windenergieanlage ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche an nur in einem Teilbereich der Windenergieanlage (1 ) vorherrschende momentane Beanspruchungen, dadurch gekennzeichnet, daß von Meßmitteln (38, 40, 44) die momentane Beanspruchung eines Teils der Windenergieanlage (1 ) ermittelt wird, von Steuermitteln (8) eine für die momentane Beanspruchung gewünschte Stellung mindestens eines Rotorblattes (1 6) ermittelt wird und das Rotorblatt (1 6) mit Hilfe der Verstellvorrichtung (34, 36) entsprechend verstellt wird, wobei die Verstellvorrichtung (34, 36) und die Meßmittel (38, 40, 44) mit den Steuermitteln (8) mit Hilfe von Verbindungsmitteln (42, 46, 48, 50, 52) verbunden werden.
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