WO2023187122A1 - Zustandsüberwachungsvorrichtung, rotorblatt und windkraftanlage damit - Google Patents

Zustandsüberwachungsvorrichtung, rotorblatt und windkraftanlage damit Download PDF

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WO2023187122A1
WO2023187122A1 PCT/EP2023/058408 EP2023058408W WO2023187122A1 WO 2023187122 A1 WO2023187122 A1 WO 2023187122A1 EP 2023058408 W EP2023058408 W EP 2023058408W WO 2023187122 A1 WO2023187122 A1 WO 2023187122A1
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rotor blade
monitoring device
wind turbine
condition monitoring
sensor
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PCT/EP2023/058408
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Fabrizia GHEZZO
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Harting Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • F03D17/001—Inspection
    • F03D17/004—Inspection by using remote inspection vehicles, e.g. robots or drones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • F03D17/027—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics characterised by the component being monitored or tested
    • F03D17/028—Blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/331—Mechanical loads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges
    • F05B2270/808—Strain gauges; Load cells

Definitions

  • the invention relates to a condition monitoring device for at least one rotor blade of a wind turbine, a rotor blade having such a condition monitoring device, and a wind turbine with such a condition monitoring device.
  • Rotor blades of wind turbines must be maintained regularly because they are exposed to wind and weather as well as other influences, such as bird strikes.
  • a key part of a maintenance appointment is checking for physical damage to the blades.
  • damage can be caused, for example, by quality fluctuations in production, which can, for example, cause bonded structures to separate or individual layers to detach.
  • damage due to fatigue fractures, lightning strikes and/or corrosion can occur during use.
  • the rotor blades are inspected visually.
  • Other materials may require follow-up inspection, for example with ultrasound.
  • the invention solves the problem of reducing the effort caused by inspections.
  • a condition monitoring device for at least one rotor blade of a wind turbine which has at least one flexible sensor device with a plurality of measuring sections, the measuring sections being arranged and set up for measuring at least one parameter on a plurality of sections of the rotor blade, and a processing device for detection and/or processing of the measured parameters.
  • Measuring mechanical parameters of the rotor blade at a large number of measuring sections makes it possible to determine cumulative loads and short-term overloads on the rotor blade. From this, conclusions can be drawn about how likely damage to the rotor blade is after a certain period of time. Accordingly, the inspection intervals can be adapted to the conditions prevailing at the installation site of the wind turbine. Unnecessary inspections and thus the effort caused by the inspections are reduced.
  • the processing device is set up to recognize a state of the rotor blade based on the recorded parameters, whereby the state can be at least one of the states normal state, warning state and/or shutdown state.
  • the processing device therefore allows the many measured mechanical parameters to be combined into a result that is easy for an operator to understand. Conditions that are relevant to the operation can be selected for detection.
  • condition monitoring device is assigned an inspection device for inspecting the rotor blade, wherein the inspection can be triggered by detection of a predetermined condition.
  • the inspection device has an unmanned aircraft for inspecting the rotor blade.
  • an unmanned aerial vehicle or UAV can particularly easily carry out an inspection, for example an optical inspection, of the rotor blade, for example from the outside. There is no need to dismantle the rotor blade, which means this inspection is particularly time-saving or can be carried out remotely.
  • the inspection device includes an unmanned, surface-based drone for inspecting the rotor blade.
  • Such a drone can, for example, efficiently carry out an inspection of the surfaces and/or an ultrasound inspection. On the one hand, this eliminates the need for a manual inspection, in which maintenance personnel have to climb on and/or into the rotor blades. On the other hand, dismantling the rotor blade, which is conceivable in extreme cases, is not necessary. This makes this inspection particularly time-saving or can be carried out remotely. Ideally, an inspection carried out by drones can be automated. Such drones can be used on both an outer and an inner surface of the rotor blade.
  • the sensor device can be heatable at least in sections.
  • the heatable sensor device can at least make the formation of ice on the surface of a rotor blade more difficult before the ice forms. In some embodiments, at least a portion of the
  • Sensor device can be laminated together with layers of the rotor blade.
  • the sensor device has a sensor fabric.
  • Such sensor fabrics can be particularly well adapted to curved shapes, for example rotor blades. In addition, they are space-saving, light, easy to process and provide a large number of measuring sections in a particularly simple manner.
  • the sensor device has an energy generation device.
  • condition monitoring device for example by generating piezoelectric energy from vibration.
  • the object is further achieved by a rotor blade for a wind turbine, having at least one of the above-mentioned condition monitoring devices.
  • the Inspection intervals are adapted to the actual load on the rotor blade, thus reducing the effort required for inspections.
  • a detailed analysis of the mechanical and/or other parameters is possible directly and/or continuously. This allows, for example, a digital twin of the rotor blade to be generated in a computer in order to identify problems and/or gain insights into the properties of the rotor blade, for example for material testing.
  • the sensor device is at least partially laminated into the rotor blade.
  • the task is further achieved by a wind turbine having at least one of the above-mentioned condition monitoring devices.
  • the inspection intervals are adapted to the actual load on the rotor blade, thus reducing the effort required for inspections. If the sensor device is designed to be heatable, ice formation and the associated damage can be avoided from the outset and the inspection intervals can thus be extended.
  • the wind turbine has a control device for controlling the wind turbine, wherein the control device is set up to switch off the wind turbine when a predetermined switch-off state is detected.
  • the rotor blade that triggers the shutdown can be inspected immediately, for example by means of the inspection device if the wind turbine has such an inspection device.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a wind turbine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section of a rotor blade with sensor devices according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a laminated section of a rotor blade with a laminated sensor fabric according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a cross section through a rotor blade with possible arrangements of sensor devices according to embodiments of the present invention.
  • the wind turbine 10 shown in FIG. 1 has a nacelle 12 on which a hub 14 is mounted, from which the rotor blades 16 protrude.
  • One of the rotor blades 16 has a flat sensor device with a sensor fabric 18, which has a plurality of measuring sections for measuring at least one parameter each.
  • the sensor fabric 18 is arranged in or on the rotor blade 16 so that it can measure the parameter(s) on and/or in a plurality of sections of the rotor blade 16.
  • the wind turbine 10 further comprises an inspection device 20.
  • the inspection device includes, for example, an unmanned aircraft, for example a drone.
  • the inspection device comprises, for example, an unmanned surface-based vehicle, for example for inspecting internal and/or external surfaces of the rotor blade 16.
  • a control device 22 is provided to control the wind turbine 10.
  • the control device 22 in particular includes a processing device for recording the parameters measured by the sensor tissue 18.
  • the processing device and/or the control device 22 can be set up to detect a state of the rotor blade 16 based on the recorded parameters, wherein the state can be at least a normal state or a warning state.
  • the sensor device forms, for example, together with the processing device, a condition monitoring device.
  • the processing device monitors, for example, whether the measured mechanical parameters are predetermined Exceed maximum values or fall below predetermined minimum values.
  • the processing device can also monitor, for example, whether the measured mechanical parameters deviate from predetermined normal values by a predetermined factor.
  • the predetermination of the normal values can also be carried out, for example, by calibration after the wind turbine 10 has been installed.
  • the processing device recognizes a condition of the rotor blade from the measured mechanical parameters, for example using one or more of the rules mentioned in the previous paragraph. As long as the mechanical parameters do not leave the predetermined limits, i.e. do not, for example, exceed the predetermined maximum values, fall below predetermined minimum values and/or deviate from predetermined normal values by more than a predetermined factor, the processing device recognizes a normal state.
  • the processing device detects, for example, a warning condition.
  • the processing device can, for example, in some embodiments assign the events and/or parameters relevant to triggering the respective state to the measuring sections and thus to the sections of the rotor blade where they occurred.
  • the processing device can carry out a classification of the parameters and/or their changes.
  • the warning state can mean, for example, that an inspection of at least one of the rotor blades 16 is necessary because a mechanical event was detected that could have led to damage.
  • the sensor fabric 18 can be designed, for example, to measure a parameter, for example a pressure, a strain, a temperature, a vibration, a humidity and/or an acceleration at the measuring sections.
  • a point loading event that is caused, for example, by hail, ice on the rotor blades or bird strikes and could lead to damage, could be measured as a short-term pressure increase that exceeds a predetermined maximum pressure. Damage to the rotor blade 16 could also occur, for example, if a permanent stretch of the rotor blade 16 is detected by the sensor fabric 18.
  • the processing device may include sensors for environmental conditions or receive data from such sensors, such as humidity and/or temperature. If these measured environmental conditions move outside a target range, for example, the processing device can detect a warning condition.
  • the processing device can, for example, be set up to sum up measured mechanical loads over a longer period of time, to weight measured mechanical loads and/or to combine measured mechanical loads from different measuring sections in order to detect a warning condition.
  • the processing device can recognize further states, for example a shutdown state, which indicates a necessary shutdown of the wind turbine 10.
  • the wind turbine 10 may, for example be set up so that the warning state is used as a shutdown state. If the control device 22 detects a warning state (and thus at the same time a shutdown state), then it switches off the wind turbine 10, for example.
  • the wind turbine 10 can, for example, be set up in such a way that an inspection by the inspection device 20 is triggered when the warning state or the shutdown state is present.
  • the wind turbine 10 can also be set up, for example, so that the inspection is only triggered when the wind turbine 10 has been switched off and the rotor blades 16 have come to a standstill.
  • a plurality of sensor fabrics 18 are arranged on or in a section of the rotor blade 16 shown in FIG. 2.
  • a sensor fabric 18 is arranged in the area of a leading edge 24, a sensor fabric is in the area of a rear edge 26 and a sensor fabric 18 is arranged on an inside 28 of the rotor blade 16.
  • the sensor fabrics 18, which are arranged in the area of the front edge 24 and in the area of the rear edge 26, can be designed, for example, to measure strain, pressure and temperature.
  • the sensor fabric 18, which is arranged on the inside 28 of the rotor blade 16, can be designed, for example, to measure vibrations.
  • At least one of the sensor fabrics 18 is heatable. This can be achieved in particular by passing electricity through the heatable sensor fabric 18 and thereby heating it up.
  • a heatable sensor fabric 18 can be advantageously arranged, for example, in the area of the front edge 24, since increased ice formation can occur there.
  • the processing device may be configured to determine from sensors, for example, the sensor fabric 18 and/or other connected sensors, a need to heat the sensor fabric 18. In this case, the processing device can largely autonomously prevent or at least make it more difficult for the rotor blade 16 to ice up.
  • the processing device can have a Kl decision device.
  • the sensor fabrics 18 can be arranged, for example, on a surface of the rotor blade 16. In further embodiments, the sensor fabrics 18 can also be arranged within walls of the rotor blade 16, for example. This is particularly advantageous when the rotor blade 16 has a material that is formed from several interconnected layers (composite material).
  • the sensor fabric 18 is arranged, for example, as a further layer between several material layers 30. Through this arrangement and the direct connection to the layers 30, the sensor fabric 18 can, for example, directly measure the mechanical parameters to which the material layers 30 are also subject. This means that individual events, such as bird strikes or hailstorms, can be detected and localized particularly precisely.
  • the sensor fabrics 18 in the rotor blade 16 is shown, for example, in FIG. 4.
  • the sensor fabrics 18 can be arranged not only in outer walls of the rotor blade 16, for example in the area of the leading edge 24 or the trailing edge 26, but also in internal structures, for example a web 32.
  • the processing device may be implemented separately from the control device 22. In further embodiments, multiple processing devices can be provided.
  • the sensor fabric 18 can also extend over the entire outer surface of the rotor blade 16 or within the entire walls of the rotor blade 16. In further embodiments, for example, sensor fabric 18 is provided in at least 10%, at least 50%, at least 80% or at least 95% of the walls of the rotor blade 16.
  • the sensor fabric 18 can, for example, be a fabric that has measuring fibers, for example fibers whose resistance changes when stretched.
  • the measuring fibers can have piezoelectric properties.
  • the measuring fibers are, for example, arranged in the tissue in such a way that the processing device can detect the desired parameter at a large number of measuring sections, for example directly or by combining the measured electrical properties of the measuring fibers.
  • the sensor fabric 18 can have, for example, fibers made of nanotubes.
  • the fibers can also provide an energy supply, for example.
  • the sensor fabric 18 may include an energy harvesting device, such as piezoelectric and/or piezoresistive fibers.
  • an energy harvesting device such as piezoelectric and/or piezoresistive fibers.
  • devices for example the processing device and/or the processing device, can be supplied with energy.
  • a rechargeable battery be provided for storing electrical energy.
  • the processing device and/or the condition monitoring device has a communication device by means of which the recorded measured parameters and/or a recognized condition of the rotor blade 16 can be transmitted to a communication partner, for example a server, a router and/or a relay.
  • a communication partner for example a server, a router and/or a relay.
  • a combination of the recorded measured parameters from different wind turbines 10 can be provided.
  • the recorded measured parameters can be processed by means of a processing device, in particular a Kl processing device, in order to recognize a possible warning state and/or shutdown state.
  • condition monitoring device can be easily integrated into existing designs of rotor blades 16 because, due to the flexible sensor device, it can be integrated into the existing material structure without affecting the properties or performance of the material of the rotor blades 16.
  • the fact that the sensor device is flexible means in particular that the sensor device can be arranged along a straight or curved surface. Since the inclusion of the condition monitoring device according to the invention in the rotor blades 16 does not change the process for producing the rotor blades 16, the condition monitoring device can also be manufactured easily.
  • the electronics required for operation can be arranged, for example, outside the rotor blades 16 and, if necessary, designed to be interchangeable.
  • the devices and methods described here can be implemented at least in part using software on commercially available computers.
  • states can be implemented by the contents of a memory location in a computer's main memory.
  • the condition monitoring device and/or the processing device can have a computer, for example with connections to sensor devices, whereby the sensor devices can supply digital and/or analog data, for example measurement data, which are processed by software running on the computer to form the devices.
  • the division of the implementation of devices into hardware and/or software is left to the implementing specialist as a manual exercise.
  • condition monitoring device described allows, for example, an autonomous reaction of the wind turbine 10 to unexpected mechanical load conditions, to changes in the environment, for example ice formation, and, in the case of a warning condition, a subsequent inspection, for example by means of a drone.
  • the condition monitoring device can be operated largely autonomously, for example by generating energy from vibration and/or climate-controlled response to environmental influences, for example to avoid ice formation.

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Abstract

Eine Zustandsüberwachungsvorrichtung für wenigstens ein Rotorblatt (16) einer Windkraftanlage (10), weist wenigstens eine flexible Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl von Messabschnitten, wobei die Messabschnitte zur Messung jeweils wenigstens eines Parameters an einer Vielzahl von Abschnitten des Rotorblatts (16) angeordnet und eingerichtet ist und eine Verarbeitungseinrichtung zur Erfassung und/oder Verarbeitung der gemessenen Parameter auf. Ein Rotorblatt für (16) eine Windkraftanlage (10), aufweisend wenigstens eine derartige Zustandsüberwachungsvorrichtung. Eine Windkraftanlage (10), aufweisend eine derartige Zustandsüberwachungsvorrichtung oder ein derartiges Rotorblatt.

Description

Titel: Zustandsüberwachungsvorrichtung, Rotorblatt und Windkraftanlage damit
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Zustandsüberwachungsvorrichtung für wenigstens ein Rotorblatt einer Windkraftanlage, ein eine derartige Zustandsüberwachungsvorrichtung aufweisendes Rotorblatt, sowie eine Windkraftanlage mit einer derartigen Zustandsüberwachungsvorrichtung.
Rotorblätter von Windkraftanlagen müssen, da sie Wind und Wetter sowie anderen Einflüssen, beispielsweise Vogelschlag, ausgesetzt sind, regelmäßig gewartet werden. Ein wesentlicher Teil eines Wartungstermins besteht in der Suche nach physischen Schäden der Rotorblätter. Derartige Schäden können beispielsweise durch Qualitätsschwankungen in der Fertigung bedingt sein, die beispielsweise eine Auftrennung verklebter Strukturen oder ein Ablösen von einzelnen Schichten bewirken können. Des Weiteren können während der Nutzung beispielsweise Schäden durch Ermüdungsbrüche, Blitzschlag und/oder Korrosion auftreten.
Für Bauformen mit Werkstoffen, bei denen Beschädigungen einfach sichtbar sind, findet eine Inspektion der Rotorblätter optisch statt. Andere Werkstoffe benötigen unter Umständen eine Nachkontrolle, beispielsweise mit Ultraschall.
Trotz regelmäßiger Inspektionen lässt sich ein Alterungszustand der Rotorblätter nur sehr ungenau bestimmen, so dass bei Konstruktion der Rotorblätter große Sicherheitsmargen in das Design einkalkuliert werden. Da die Häufigkeit sowohl punktueller Ereignisse mit teilweise hoher Belastung, beispielsweise von Vogelschlag oder Hagelschlag, als auch der Beitrag wechselnder äußerer Einflüsse, wie beispielsweise der Witterung, insbesondere durch Frost und Eis, schlecht vorhersagbar und auch von dem genauen Ort der Windkraftanlage abhängig ist, werden Inspektionen ebenfalls in einer Häufigkeit angesetzt, die eine Sicherheitsmarge beinhaltet. Dazu sind komplexe Lasten, beispielsweise Scher- und Momentlasten, nur unzureichend modellierbar. Durch die hohe und wechselnde Belastung der Rotorblätter sind Inspektionen in regelmäßigen Abständen mindestens einmal im Jahr notwendig.
Während einer Inspektion steht eine Windkraftanlage notgedrungen still und kann keinen Strom erzeugen. Je nach Bauform ist eine Demontage der Rotorblätter notwendig. Auch heute werden Inspektionen von Windkraftanlagen hauptsächlich von menschlichen Technikern durchgeführt.
Durch alle diese Aspekte entstehen hohe Kosten, die einen wesentlichen Anteil an den Gesamtkosten über die Laufzeit einer Windkraftanlage haben.
Vor diesem Hintergrund löst die Erfindung die Aufgabe, den durch Inspektionen verursachten Aufwand zu reduzieren.
Die Aufgabe wird durch eine Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 , ein Rotorblatt gemäß Patentanspruch 10 und eine Windkraftanlage gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Aufgabe wird durch eine Zustandsüberwachungsvorrichtung für wenigstens ein Rotorblatt einer Windkraftanlage gelöst, die wenigstens eine flexible Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl von Messabschnitten, wobei die Messabschnitte zur Messung jeweils wenigstens eines Parameters an einer Vielzahl von Abschnitten des Rotorblatts angeordnet und eingerichtet ist und eine Verarbeitungseinrichtung zur Erfassung und/oder Verarbeitung der gemessenen Parameter aufweist. Eine Messung von mechanischen Parametern des Rotorblatts an einer Vielzahl von Messabschnitten erlaubt es, eine kumulierte Belastung sowie kurzzeitige Überlastungen des Rotorblatts zu ermitteln. Daraus lassen sich Rückschlüsse darauf ziehen, wie wahrscheinlich Beschädigungen des Rotorblatts nach einem gewissen Zeitraum sind. Dementsprechend können die Inspektionsintervalle an die an dem Aufstellungsort der Windkraftanlage herrschenden Bedingungen angepasst werden. Unnötige Inspektionen und damit auch der durch die Inspektionen verursachte Aufwand werden so reduziert.
In einigen Ausführungsformen ist die Verarbeitungseinrichtung zur Erkennung eines Zustands des Rotorblatts anhand der erfassten Parameter eingerichtet, wobei der Zustand wenigstens einer der Zustände Normalzustand, Warnzustand und/oder Abschaltzustand sein kann.
Die Verarbeitungseinrichtung erlaubt es also, die vielen gemessenen mechanischen Parameter zu einem für einen Bediener einfach erfassbaren Ergebnis zusammenzufassen. Dabei können Zustände zur Erkennung ausgewählt werden, die Relevanz für den Betrieb haben.
In einigen Ausführungsformen ist der Zustandsüberwachungsvorrichtung eine Inspektionseinrichtung zur Inspektion des Rotorblatts zugeordnet, wobei die Inspektion durch eine Erkennung eines vorbestimmten Zustands auslösbar ist.
Dadurch kann ohne Intervention eines Technikers eine automatische Inspektion des Rotorblatts ausgelöst werden, beispielsweise bei Erkennen eines Warnzustands. Dadurch werden die Kosten für Inspektionen weiter reduziert.
In einigen Ausführungsformen weist die Inspektionseinrichtung ein unbemanntes Luftfahrzeug zur Inspektion des Rotorblatts auf. Ein derartiges unbemanntes Luftfahrzeug, englisch „unmanned aerial vehicle“ oder UAV, kann besonders einfach eine Inspektion, beispielsweise eine optische Inspektion, des Rotorblatts, beispielsweise von außen durchführen. Eine Demontage des Rotorblatts ist dafür nicht nötig, wodurch diese Inspektion besonders zeitsparend oder auch per Fernsteuerung durchführbar ist.
In einigen Ausführungsformen weist die Inspektionseinrichtung eine unbemannte, oberflächengebundene Drohne zur Inspektion des Rotorblatts auf.
Eine derartige Drohne kann beispielsweise effizient eine Inspektion der Oberflächen und/oder eine Ultraschallinspektion durchführen. Hiermit wird zum einen eine manuelle Inspektion, bei der Wartungspersonal an und/oder in den Rotorblättern kletternd eine Prüfung vornehmen muss unnötig. Zum anderen ist eine, im Extremfall denkbare, Demontage des Rotorblatts dafür nicht erforderlich. Dadurch ist diese Inspektion besonders zeitsparend oder auch per Fernsteuerung durchführbar. Im Idealfall lässt sich eine von Drohnen durchgeführte Inspektion automatisieren. Derartige Drohnen können sowohl auf einer Außen- als auch auf einer Innenfläche des Rotorblatts eingesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Sensoreinrichtung wenigstens abschnittsweise heizbar sein.
Dadurch ist zum Beispiel kostengünstig die Entfernung von Eis an dem Rotorblatt möglich. Insbesondere ist eine kostengünstige Abdeckung großer Flächen des Rotorblatts mit der Sensoreinrichtung möglich. Des Weiteren kann die beheizbare Sensoreinrichtung die Bildung von Eis an der Oberfläche eines Rotorblatts bereits im Vorfeld der Eisbildung zumindest erschweren. In einigen Ausführungsformen ist wenigstens ein Teil der
Sensoreinrichtung zusammen mit Schichten des Rotorblatts laminierbar.
Dies bewirkt durch die kraftschlüssige Verbindung mit dem Material des Rotorblatts eine besonders exakte Erfassung der mechanischen Parameter und verbessert damit die Präzision der Erkennung der Notwendigkeit einer Inspektion. Darüber hinaus ist, sofern die Sensoreinrichtung heizbar ausgestaltet ist, keine weitere Heizschicht aus einem für die Laminierung ungeeigneten Material in dem Rotorblatt notwendig.
In einigen Ausführungsformen weist die Sensoreinrichtung ein Sensorgewebe auf.
Derartige Sensorgewebe sind besonders gut an gebogene Formen, beispielsweise von Rotorblättern anpassbar. Darüber sind sie platzsparend, leicht, einfach zu verarbeiten und stellen auf besonders einfache Art und Weise eine Vielzahl von Messabschnitten bereit.
In einigen Ausführungsformen weist die Sensoreinrichtung eine Energiegewinnungseinrichtung auf.
Dies ermöglicht einen weitgehend autonomen Betrieb der Zustandsüberwachungsvorrichtung, beispielsweise durch piezoelektrische Energiegewinnung aus Vibration.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, aufweisend wenigstens eine der oben genannten Zustandsüberwachungsvorrichtungen, gelöst.
Durch die Aufnahme der Zustandsüberwachungsvorrichtung werden die Inspektionsintervalle an die tatsächliche Belastung des Rotorblatts angepasst und somit der Aufwand für Inspektionen verringert. Darüber hinaus ist, insbesondere bei großflächiger Verwendung des Sensorgewebes, eine detaillierte Analyse der mechanischen und/oder weiterer Parameter unmittelbar und/oder kontinuierlich möglich. Dadurch kann beispielsweise ein digitaler Zwilling (engl. digital twin) des Rotorblatts in einem Computer erzeugt werden, um Probleme zu erkennen und/oder Erkenntnisse über die Eigenschaften des Rotorblatts zu gewinnen, beispielsweise für Materialtests.
In einigen Ausführungsformen ist die Sensoreinrichtung wenigstens teilweise in das Rotorblatt einlaminiert.
Dadurch wird eine besonders genaue Messung des mechanischen Parameters an dem Rotorblatt ermöglicht.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch eine Windkraftanlage, aufweisend wenigstens eine der oben genannten Zustandsüberwachungsvorrichtungen gelöst.
Durch die Aufnahme der Zustandsüberwachungsvorrichtung werden die Inspektionsintervalle an die tatsächliche Belastung des Rotorblatts angepasst und somit der Aufwand für Inspektionen verringert. Falls die Sensoreinrichtung heizbar ausgestaltet ist, kann auch von vornherein eine Eisbildung sowie damit einhergehende Beschädigung vermieden werden und so die Inspektionsintervalle verlängert werden. In einigen Ausführungsformen weist die Windkraftanlage eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Windkraftanlage auf, wobei die Steuereinrichtung zum Abschalten der Windkraftanlage bei Erkennung eines vorbestimmten Abschaltzustands eingerichtet ist.
Wenn also die Verarbeitungseinrichtung anhand der gemessenen mechanischen Parameter eine Überlastung und/oder Beschädigung wenigstens eines Rotorblattes erkennen, dann wird eine automatische Abschaltung der Windkraftanlage eingeleitet.
Dadurch kann unmittelbar eine Inspektion des die Abschaltung auslösenden Rotorblattes erfolgen, beispielsweise mittels der Inspektionseinrichtung, wenn die Windkraftanlage eine derartige Inspektionseinrichtung aufweist.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines Rotorblatts mit Sensoreinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines laminierten Abschnittes eines Rotorblatts mit einem einlaminierten Sensorgewebe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rotorblatt mit möglichen Anordnungen von Sensoreinrichtungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein.
Richtungsangaben wie beispielsweise „links“, „rechts“, „oben“ und „unten“ sind mit Bezug auf die jeweilige Figur zu verstehen und können in den einzelnen Darstellungen gegenüber dem dargestellten Objekt variieren.
Die in Fig. 1 gezeigte Windkraftanlage 10 weist eine Gondel 12 auf, an der eine Nabe 14 gelagert ist, von der Rotorblätter 16 abragen. Eines der Rotorblätter 16 weist eine flächige Sensoreinrichtung mit einem Sensorgewebe 18 auf, das eine Vielzahl von Messabschnitten zur Messung jeweils wenigstens eines Parameters aufweist. Das Sensorgewebe 18 ist in oder an dem Rotorblatt 16 angeordnet, so dass es den oder die Parameter an und/oder in einer Vielzahl von Abschnitten des Rotorblatts 16 messen kann.
Die Windkraftanlage 10 umfasst des Weiteren eine Inspektionseinrichtung 20. In einigen Ausführungsformen umfasst die Inspektionseinrichtung beispielsweise ein unbemanntes Luftfahrzeug, beispielsweise eine Drohne. In einigen Ausführungsformen umfasst die Inspektionseinrichtung beispielsweise ein unbemanntes oberflächengebundenes Fahrzeug, beispielsweise zur Inspektion von inneren und/oder äußeren Oberflächen des Rotorblatts 16.
Zur Steuerung der Windkraftanlage 10 ist eine Steuereinrichtung 22 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 22 umfasst insbesondere eine Verarbeitungseinrichtung zur Erfassung der von dem Sensorgewebe 18 gemessenen Parameter. Die Verarbeitungseinrichtung und/oder die Steuereinrichtung 22 kann zur Erkennung eines Zustands des Rotorblatts 16 anhand der erfassten Parameter eingerichtet sein, wobei der Zustand wenigstens ein Normalzustand oder ein Warnzustand sein kann.
Die Sensoreinrichtung bildet beispielsweise zusammen mit der Verarbeitungseinrichtung eine Zustandsüberwachungsvorrichtung.
Zu diesem Zweck überwacht die Verarbeitungseinrichtung beispielsweise, ob die gemessenen mechanischen Parameter vorbestimmte Maximalwerte überschreiten oder vorbestimmte Minimalwerte unterschreiten. In weiteren Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinrichtung auch beispielsweise überwachen, ob die gemessenen mechanischen Parameter von vorbestimmten Normalwerten um einen vorbestimmten Faktor abweichen. Die Vorbestimmung der Normalwerte kann auch beispielsweise durch Kalibrierung nach Aufstellung der Windkraftanlage 10 durchgeführt werden.
Die Verarbeitungseinrichtung erkennt aus den gemessenen mechanischen Parametern, beispielsweise mittels einer oder mehrerer der im vorigen Absatz genannten Regeln, einen Zustand des Rotorblatts. Solange die mechanischen Parameter nicht die vorbestimmten Grenzen verlassen, also nicht beispielsweise die vorbestimmten Maximalwerte überschreiten, vorbestimmte Minimalwerte unterschreiten und/oder von vorbestimmten Normalwerten um mehr als einen vorbestimmten Faktor abweichen, erkennt die Verarbeitungseinrichtung einen Normalzustand.
Sobald die mechanischen Parameter die vorbestimmten Grenzen verlassen, erkennt die Verarbeitungseinrichtung beispielsweise einen Warnzustand.
Neben der Erkennung eines Zustands kann die Verarbeitungseinrichtung beispielsweise in einigen Ausführungsformen die für das Auslösen des jeweiligen Zustands relevanten Ereignisse und/oder Parameter den Messabschnitten und somit den Abschnitten des Rotorblatts zuordnen, an denen sie aufgetreten sind. Darüber hinaus kann die Verarbeitungseinrichtung eine Klassifizierung der Parameter und/oder von deren Veränderungen durchführen.
Der Warnzustand kann beispielsweise bedeuten, dass eine Inspektion wenigstens eines der Rotorblätter 16 notwendig ist, da ein mechanisches Ereignis erkannt wurde, das zu einer Beschädigung geführt haben könnte. Zu diesem Zweck kann das Sensorgewebe 18 beispielsweise zur Messung eines Parameters, beispielsweise eines Drucks, einer Dehnung, einer Temperatur, einer Vibration, einer Feuchtigkeit und/oder einer Beschleunigung an den Messabschnitten ausgebildet sein. So könnte beispielsweise ein punktuelles Belastungsereignis, das beispielsweise durch Hagel, Eis auf den Rotorblättern oder Vogelschlag verursacht wird und zu einer Beschädigung führen könnte, als kurzfristige Druckerhöhung gemessen werden, die einen vorbestimmten Maximaldruck überschreitet. Eine Beschädigung des Rotorblatts 16 könnte beispielsweise auch vorliegen, wenn eine permanente Dehnung des Rotorblatts 16 von dem Sensorgewebe 18 festgestellt wird.
Es gibt eine Vielzahl weiterer bekannter Bedingungen, die einen Warnzustand auslösen könnten. In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinrichtung Sensoren für Umgebungsbedingungen aufweisen oder Daten von derartigen Sensoren erhalten, beispielsweise Feuchtigkeit und/oder Temperatur. Wenn diese gemessenen Umgebungsbedingungen sich beispielsweise außerhalb eines Sollbereichs bewegen, kann die Verarbeitungseinrichtung einen Warnzustand erkennen. In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinrichtung beispielsweise dazu eingerichtet sein, gemessene mechanische Belastungen über einen längeren Zeitraum aufzusummieren, gemessene mechanische Belastungen zu gewichten und/oder gemessene mechanische Belastungen verschiedener Messabschnitte zu kombinieren, um einen Warnzustand zu erkennen. In weiteren Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinrichtung weitere Zustände erkennen, beispielsweise einen Abschaltzustand, der eine notwendige Abschaltung der Windkraftanlage 10 anzeigt. Diese Ausführungsformen sind beliebig kombinierbar, um eine zuverlässige Erkennung von Warn- und/oder Abschaltzuständen zu erreichen.
In einigen Ausführungsformen kann die Windkraftanlage 10 beispielsweise so eingerichtet sein, dass der Warnzustand als Abschaltzustand verwendet wird. Wenn die Steuereinrichtung 22 also einen Warnzustand (und somit gleichzeitig einen Abschaltzustand) erkennt, dann schaltet sie beispielsweise die Windkraftanlage 10 ab.
In einigen Ausführungsformen kann die Windkraftanlage 10 beispielsweise so eingerichtet sein, dass bei Vorliegen des Warnzustands oder des Abschaltzustands eine Inspektion durch die Inspektionseinrichtung 20 ausgelöst wird. Die Windkraftanlage 10 kann des Weiteren beispielsweise so eingerichtet sein, dass die Inspektion erst dann ausgelöst wird, wenn die Windkraftanlage 10 abgeschaltet und die Rotorblätter 16 zum Stillstand gekommen sind.
An oder in einem in Fig. 2 gezeigten Abschnitt des Rotorblatts 16 sind mehrere Sensorgewebe 18 angeordnet. Ein Sensorgewebe 18 ist im Bereich einer Vorderkante 24, ein Sensorgewebe ist im Bereich einer Hinterkante 26 und ein Sensorgewebe 18 ist an einer Innenseite 28 des Rotorblatts 16 angeordnet.
Die Sensorgewebe 18, die im Bereich der Vorderkante 24 und im Bereich der Hinterkante 26 angeordnet sind, können beispielsweise zur Messung von Dehnung, Druck und Temperatur ausgebildet sein. Das Sensorgewebe 18, das an der Innenseite 28 des Rotorblatts 16 angeordnet ist kann beispielsweise zur Messung von Schwingungen ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen ist wenigstens eines der Sensorgewebe 18 heizbar. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass Strom durch das heizbare Sensorgewebe 18 geleitet wird und sich dieses dadurch erwärmt. Ein derartiges heizbares Sensorgewebe 18 ist beispielsweise im Bereich der Vorderkante 24 vorteilhaft anzuordnen, da es dort verstärkt zur Eisbildung kommen kann. In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet sein, aus Sensoren beispielsweise des Sensorgewebes 18 und/oder anderen verbundenen Sensoren eine Notwendigkeit zu bestimmen, das Sensorgewebe 18 zu heizen. In diesem Fall kann die Verarbeitungseinrichtung weitgehend autonom eine Vereisung des Rotorblatts 16 verhindern oder zumindest erschweren. Zu diesem Zweck kann die Verarbeitungseinrichtung in einigen Ausführungsformen eine Kl- Entscheidungseinrichtung aufweisen.
Die Sensorgewebe 18 können beispielsweise an einer Oberfläche des Rotorblatts 16 angeordnet sein. In weiteren Ausführungsformen können die Sensorgewebe 18 beispielsweise auch innerhalb von Wänden des Rotorblatts 16 angeordnet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft möglich, wenn das Rotorblatt 16 ein Material aufweist, das aus mehreren miteinander verbundenen Schichten gebildet ist (Verbundmaterial).
Ein Ausschnitt aus einem derartigen Verbundmaterial ist in Fig. 3 gezeigt. Zwischen mehreren Materialschichten 30 ist das Sensorgewebe 18 beispielsweise als weitere Schicht angeordnet. Durch diese Anordnung und die unmittelbare Verbindung mit den Schichten 30 kann das Sensorgewebe 18 beispielsweise unmittelbar die mechanischen Parameter messen, denen auch die Materialschichten 30 unterworfen sind. Dadurch können beispielsweise Einzelereignisse, beispielsweise Vogelschlag oder Hagelschlag, besonders präzise erkannt und lokalisiert werden.
Eine von vielen möglichen Anordnungen der Sensorgewebe 18 in dem Rotorblatt 16 ist beispielsweise in Fig. 4 gezeigt. Die Sensorgewebe 18 können nicht nur in Außenwänden des Rotorblatts 16, so beispielsweise im Bereich der Vorderkante 24 oder der Hinterkante 26, sondern auch in internen Strukturen, beispielsweise einem Steg 32, angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinrichtung separat von der Steuereinrichtung 22 ausgeführt sein. In weiteren Ausführungsformen können mehrere Verarbeitungseinrichtungen vorgesehen sein.
In einigen Ausführungsformen kann sich das Sensorgewebe 18 auch über die gesamte Außenfläche des Rotorblatts 16 oder auch innerhalb der gesamten Wände des Rotorblatts 16 erstrecken. In weiteren Ausführungsformen ist beispielsweise in wenigstens 10 %, wenigstens 50 %, wenigstens 80 % oder wenigstens 95 % der Wände des Rotorblatts 16 Sensorgewebe 18 vorgesehen.
Das Sensorgewebe 18 kann beispielsweise ein Gewebe sein, das Messfasern aufweist, beispielsweise Fasern, deren Widerstand sich bei Dehnung verändert. In weiteren Ausführungsformen können die Messfasern piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Die Messfasern sind beispielsweise so in dem Gewebe angeordnet, dass die Verarbeitungseinrichtung beispielsweise unmittelbar oder durch Kombination der gemessenen elektrischen Eigenschaften der Messfasern den gewünschten Parameter an einer Vielzahl von Messabschnitten erfassen kann. In weiteren Ausführungsformen kann das Sensorgewebe 18 beispielsweise Fasern aus Nanoröhrchen aufweisen. In weiteren Ausführungsformen können die Fasern beispielsweise auch eine Energieversorgung bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen kann das Sensorgewebe 18 eine Energiegewinnungseinrichtung, beispielsweise piezoelektrische und/oder piezoresistive Fasern aufweisen. Mittels der von derartigen Fasern, beispielsweise aus Vibration, gewonnenen elektrischen Energie können Einrichtungen, beispielsweise die Verarbeitungseinrichtung und/oder die Verarbeitungseinrichtung, mit Energie versorgt werden. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen sein.
In einigen Ausführungsformen weist die Verarbeitungseinrichtung und/oder die Zustandsüberwachungseinrichtung eine Kommunikationseinrichtung auf, mittels derer die erfassten gemessenen Parameter und/oder ein erkannter Zustand des Rotorblatts 16 an einen Kommunikationspartner, beispielsweise einen Server, einen Router und/oder ein Relais übermittelbar sind. Insbesondere zur Überwachung größerer Windparks kann eine Kombination der erfassten gemessenen Parameter von unterschiedlichen Windkraftanlagen 10 vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen können die erfassten gemessenen Parameter mittels einer Verarbeitungseinrichtung, insbesondere einer Kl- Verarbeitungseinrichtung, verarbeitet werden, um einen möglichen Warnzustand und/oder Abschaltzustand zu erkennen.
Die erfindungsgemäße Zustandsüberwachungsvorrichtung ist in existierende Designs von Rotorblättern 16 einfach integrierbar, da sie sich aufgrund der flexiblen Sensoreinrichtung in die existierende Materialstruktur integrieren lässt, ohne die Eigenschaften oder Leistung des Materials der Rotorblätter 16 zu beeinträchtigen. Dass die Sensoreinrichtung flexibel ist, bedeutet insbesondere, dass die Sensoreinrichtung entlang einer geraden oder gekrümmten Fläche angeordnet werden kann. Da die Aufnahme der erfindungsgemäßen Zustandsüberwachungsvorrichtung in die Rotorblätter 16 das Verfahren zur Produktion der Rotorblätter 16 nicht verändert, lässt sich die Zustandsüberwachungsvorrichtung auch einfach herstellen.
Die zum Betrieb notwendige Elektronik, beispielsweise für die Verarbeitungseinrichtung und/oder die Steuereinrichtung 22 kann beispielsweise außerhalb der Rotorblätter 16 angeordnet sein und, wenn nötig, austauschbar ausgestaltet werden. Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren sind wenigstens teilweise mittels einer Software auf handelsüblichen Computern implementierbar. Beispielsweise können Zustände durch Inhalte einer Speicherstelle eines Arbeitsspeichers des Computers implementiert sein. Beispielsweise können die Zustandsüberwachungsvorrichtung und/oder die Verarbeitungsvorrichtung einen Computer beispielsweise mit Verbindungen zu Sensoreinrichtungen aufweisen, wobei die Sensoreinrichtungen digitale und/oder analoge Daten, beispielsweise Messdaten, liefern können, die von auf dem Computer ausgeführter Software zur Bildung der Vorrichtungen verarbeitet werden. Die Aufteilung der Umsetzung von Vorrichtungen in Hardware und/oder Software bleibt dem implementierenden Fachmann als handwerkliche Übung überlassen.
Die beschriebene Zustandsüberwachungsvorrichtung erlaubt beispielsweise eine autonome Reaktion der Windkraftanlage 10 auf unerwartete mechanische Lastbedingungen, auf Veränderungen der Umgebung, beispielsweise auf Eisbildung, und, im Falle eines Warnzustands, eine anschließende Inspektion, beispielsweise mittels einer Drohne. Die Zustandsüberwachungsvorrichtung ist weitgehend autonom betreibbar, beispielsweise durch Energiegewinnung aus Vibration und/oder Kl-gesteuerte Reaktion auf Umwelteinflüsse, beispielsweise zur Vermeidung von Eisbildung.
Bezugszeichenliste
Windkraftanlage
Gondel
Nabe
Rotorblatt
Sensorgewebe
Inspektionseinrichtung
Steuereinrichtung
Vorderkante
Hinterkante
Innenseite
Materialschicht
Steg

Claims

Ansprüche Zustandsüberwachungsvorrichtung für wenigstens ein Rotorblatt (16) einer Windkraftanlage (10), aufweisend wenigstens eine flexible Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl von Messabschnitten, wobei die Messabschnitte zur Messung jeweils wenigstens eines Parameters an einer Vielzahl von Abschnitten des Rotorblatts (16) angeordnet und eingerichtet ist und eine Verarbeitungseinrichtung zur Erfassung und/oder Verarbeitung der gemessenen Parameter. Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung zur Erkennung eines Zustands des Rotorblatts (16) anhand der Parameter eingerichtet ist, wobei der Zustand wenigstens einer der Zustände Normalzustand, Warnzustand und/oder Abschaltzustand sein kann. Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsüberwachungseinrichtung eine Inspektionseinrichtung (20) zur Inspektion des Rotorblatts (16) zugeordnet ist, wobei eine Inspektion durch eine Erkennung eines vorbestimmten Zustands auslösbar ist. Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Inspektionseinrichtung (20) ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV) zur Inspektion des Rotorblatts (16) aufweist. Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Inspektionseinrichtung (20) eine unbemannte, oberflächengebundene Drohne zur Inspektion des Rotorblatts (16) aufweist. Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung wenigstens abschnittsweise heizbar ist. Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt der Sensoreinrichtung zusammen mit Schichten des Rotorblatts (16) laminierbar ist. Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung ein Sensorgewebe (18) aufweist. Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eine Energiegewinnungseinrichtung aufweist. Rotorblatt für (16) eine Windkraftanlage (10), aufweisend wenigstens eine Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche. Rotorblatt (16) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt der Sensoreinrichtung in das Rotorblatt (16) einlaminiert ist. Windkraftanlage (10), aufweisend wenigstens eine Zustandsüberwachungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 oder ein Rotorblatt gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11. Windkraftanlage (10) gemäß Anspruch 12 und Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Windkraftanlage, wobei die Steuereinrichtung zum Abschalten der Windkraftanlage bei Erkennung eines vorbestimmten Abschaltzustands des Rotorblatts (16) eingerichtet ist.
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