DE102018119733B4

DE102018119733B4 - Bestimmung des Torsionswinkels und Pitchwinkelbestimmung mittels mindestens zwei Beschleunigungssensoren

Info

Publication number: DE102018119733B4
Application number: DE102018119733.0A
Authority: DE
Inventors: Sascha Kienitz
Original assignee: fos4X GmbH
Current assignee: Vc Viii Polytech Holding Aps Dk
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2038-08-15
Also published as: DE102018119733A1

Abstract

Verfahren zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts (101) einer Windenergieanlage, umfassend:
Messen einer ersten Beschleunigung mittels eines ersten Beschleunigungssensors (120) in mindestens zwei ersten Dimensionen entlang einer ersten Achse (131) und einer zweiten Achse (132) an einer ersten Position des Rotorblatts (101), wobei die erste Achse (131) und die zweite Achse (132) der zwei ersten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen;
Messen einer zweiten Beschleunigung mittels eines zweiten Beschleunigungssensors (130) in mindestens zwei zweiten Dimensionen entlang einer ersten Achse (131') und zweiten Achse (132') an einer von der ersten Position radial beabstandeten zweiten Position des Rotorblatts (101), wobei die erste Achse (131') und die zweite Achse (132') der zwei zweiten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; und
Bestimmen einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels des Rotorblatts (101) anhand erster Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen der ersten Beschleunigung und anhand zweiter Beschleunigungsanteile in den zwei zweiten Dimensionen der zweiten Beschleunigung.

Description

GEÄNDERTE BESCHREIBUNG (REINSCHRIFT)
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemein eine Überwachung des Betriebs von Windkraftanlagen, insbesondere die Überwachung einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels eines Rotorblatts von Windkraftanlagen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts, eine Anordnung von faseroptischen Sensoren zur Bestimmung einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, und eine Windenergieanlage.
STAND DER TECHNIK
Zur Überwachung von Windenergieanlagen gewinnen Systeme, die den Stellung oder Verdrehung eines Rotorblatts beurteilen an Bedeutung.
Wird an einem Blatt einer Windkraftanlage die Verdrehung der Blattspitze vermessen, kann dadurch zum Beispiel die Aerodynamik, bzw. der Anströmwinkel an der Blattspitze über den Pitch, zum Beispiel den Pitch des gesamten Blatts, korrigiert werden. Durch derartige Korrekturen kann zum Beispiel der Ertrag einer Windenergieanlage verbessert werden. Da eine Tendenz zu weicheren Rotorblättern besteht, wird dieser Effekt f zunehmend wichtiger.
Vorrichtungen zur Bestimmung eines Torsionswinkels können faseroptische Faser in einem Rotorblatt vorsehen. Die Faser wird dabei mit dem Material des Rotorblattes verklebt. Durch die Verformung bzw. Torsion des Rotorblattes und somit der Verformung bzw. Torsion des Kabels wird eine Polarisation des durch das faseroptische Kabel geleitete Licht bewirkt. Aus der Polarisation kann mittels einer Auswerteeinheit auf den Torsionswinkel geschlossen werden. Polarisationsabhängige Torsionssensoren neigen dazu empfindlich zu sein bzw. parasitäre Signale in nicht geringem Ausmaß zu messen.
Ein anderes bekanntes Verfahren zum Bestimmen des Torsionswinkels basiert auf der Verwendung eines Kamerasystems. Dazu wird in einem Bereich vor der Windenergieanlage eine Kamera aufgebaut, die auf die Windenergieanlage gerichtet ist. Die Kamera erfasst die Stellung der Rotorblätter, bspw. über an den Rotorblättern angebrachten Markierungen, und kann daraus die Orientierung der Profilsehnen oder eine Verformung des Rotorblattes ableiten. Aus der Orientierung der Profilsehnen zueinander kann dann der Torsionswinkel des Rotorblattes bestimmt werden. Nachteilig bei diesem System ist, dass dieses nur zeitlich begrenzt einsetzbar ist, nämlich wenn der Rotor eine bestimmte Orientierung zu der Kamera aufweist.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Torsion, ist es einen Drehsensor mit mechanischer Achse zu installieren.
Es sei auf die WO 2016 / 101 961 A1 hingewiesen, die eine Methode und ein System zur Bestimmung der dynamischen Verdrehung eines Windturbinenblattes beschreibt. Darin wird eine drahtlose Sensoreinheit offenbart, die einen Beschleunigungssensor und eine Gyromesseinheit aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage gemäß Anspruch 1, eine Anordnung zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage gemäß Anspruch 10, und eine Windkraftanlage gemäß Anspruch 13 zur Verfügung. Weitere Details, Ausführungsformen, Merkmale und Aspekt ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage zur Verfügung gestellt. Das Verfahren beinhaltet: Messen einer ersten Beschleunigung mittels eines ersten Beschleunigungssensors in mindestens zwei ersten Dimensionen entlang einer ersten Achse und einer zweiten Achse an einer ersten Position des Rotorblatts, wobei die erste Achse (131) und die zweite Achse (132) der zwei ersten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; Messen einer zweiten Beschleunigung mittels eines zweiten Beschleunigungssensors in mindestens zwei zweiten Dimensionen entlang einer ersten Achse und zweiten Achse an einer von der ersten Position radial beabstandeten zweiten Position des Rotorblatts, wobei die erste Achse und die zweite Achse der zwei zweiten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; und Bestimmen einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels des Rotorblatts anhand erster Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen der ersten Beschleunigung und anhand zweiter Beschleunigungsanteile in den zwei zweiten Dimensionen der zweiten Beschleunigung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Anordnung zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage zur Verfügung gestellt. Die Anordnung beinhaltet einen ersten Beschleunigungssensor zum Messen einer ersten Beschleunigung in mindestens zwei ersten Dimensionen entlang einer ersten Achse und einer zweiten Achse an einer ersten Position des Rotorblatts, wobei die erste Achse und die zweite Achse der zwei zweiten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; einen zweiten Beschleunigungssensor zum Messen einer zweiten Beschleunigung in mindestens zwei zweiten Dimensionen, wobei die erste Achse und die zweite Achse der zwei zweiten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen, an einer von der ersten Position radial beabstandeten zweiten Position des Rotorblatts, wobei die erste Achse und die zweite Achse der zwei zweiten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; und eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels des Rotorblatts anhand erster Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen der ersten Beschleunigung und anhand zweiter Beschleunigungsanteile in den zwei zweiten Dimensionen der zweiten Beschleunigung.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 zeigt schematisch eine Anordnung von zwei Beschleunigungssensoren in einem Rotorblatt gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen;
2 zeigt schematisch ein Rotorblatt mit einer Anordnung bzw. eine Vorrichtung angepasst zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen;
3 und 4 zeigen eine Windkraftanalage und einen Rotor gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen;
5A und 5B zeigen schematisch Beschleunigungssensoren zur Verwendung in hier beschriebenen Ausführungsformen;
6 zeigt schematisch einen Verlauf eines Beschleunigungssignals;
7 zeigt ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zur Zustandsüberwachung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
DETAILLEIRTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNFSFORMEN.
Im Folgenden wird detaillierter Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wobei ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden Torsionswinkel- und Pitchwinkel basierend auf Beschleunigungssensoren bestimmt. Zum Beispiel kann eine Lageinformation oder Orientierungsinformation verteilter Beschleunigungssensoren, zum Beispiel absoluter Beschleunigungssensoren, verwendet werden. Gemäß manchen Ausführungsformen werden mindestens zwei (absolut) statisch messende mindestens zweidimensionale Beschleunigungssensoren bei mindestens zwei verschiedenen Blattradien installiert.
Die 1 zeigt schematisch eine Anordnung 100 zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung in einem Rotorblatt 101. Im Rotorblatt 101 ist ein erster Beschleunigungssensor 120 an einer ersten Position angeordnet. Ein zweiter Beschleunigungssensor 130 ist im Rotorblatt 101 an einer zweiten Position angeordnet.
Der erste Beschleunigungssensor 120 ist typischerweise radial beabstandet bezüglich des zweiten Beschleunigungssensors 130. In der 1 ist beispielweise der erste Beschleunigungssensor 120 bezüglich des zweiten Beschleunigungssensors 130 entlang einer Längssachse 103 (siehe 2) des Rotorblatts 101 beabstandet.
Ein Beschleunigungssensor, der in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung als erster Beschleunigungssensor 120 bzw. zweiter Beschleunigungssensor 130 verwendet werden kann, ist in der 5A und 5B näher erläutert. Der Beschleunigungssensor beinhaltet eine Testmasse, deren Beschleunigung im Sensor gemessen wird. Gemäß typischen Ausführungsformen können der erste Beschleunigungssensor 120 und/oder der zweite Beschleunigungssensor 130 als faseroptische Sensoren ausgeführt sein. Hierbei wird die Beschleunigung der Testmasse durch Faser-Bragg-Gitter in einer Faser optisch gemessen.
Durch die Verwendung faseroptischer Beschleunigungssensoren kann eine entsprechende Messgenauigkeit zur Verfügung gestellt werden. Ferner bieten faseroptische Beschleunigungssensoren vorteilhafte Eigenschaften zur Verwendung in Windkraftanlagen. Insbesondere weisen faseroptische Beschleunigungssensoren eine hohe Mean Time Between Failures (MTBF) auf. Beispielsweise ist die MTBF von faseroptischen Sensoren üblicherweise höher als die von sog. Torsionssensoren. Somit kann die Wartungsintensivität verringert werden.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist der erste Beschleunigungssensor 120 und der zweite Beschleunigungssensor 130 eingerichtet um in mindestens zwei Dimensionen eine Beschleunigung zu messen. In der 1 ist beispielsweise der erste Beschleunigungssensor 120 derart im Rotorblatt 101 orientiert, dass eine erste Beschleunigung entlang zwei ersten Dimensionen erfasst werden kann. Eine der zwei ersten Dimensionen ist hierbei parallel zur Gravitationsbeschleunigung (Bezugszeichen 10). Die andere der zwei ersten Dimensionen ist senkrecht zur Gravitationsbeschleunigung 10. Durch ein Messen in mindestens zwei ersten Dimensionen können beispielsweise erste Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen bestimmt werden.
In der 1 ist ein Koordinatensystem jeweils für den ersten Beschleunigungssensor 120 und den zweiten Beschleunigungssensor 130 dargestellt. Das Koordinatensystem weist eine erste Achse und eine zweite Achse auf. Die erste Achse und die zweite Achse stellen illustrativ die zwei Dimensionen dar, in denen der erste und der zweite Beschleunigungssensor 120, 130 eine Beschleunigung messen können.
Nachfolgend wird für den ersten Beschleunigungssensor die erste Achse mit dem Bezugszeichen 131 und die zweite Achse mit dem Bezugszeichen 132 bezeichnet. Entsprechend wird die die erste Achse und die zweite Achse des zweiten Beschleunigungssensors 130 mit dem Bezugszeichen 131' bzw. 132' bezeichnet.
Der erste Beschleunigungssensor 120 kann erste Beschleunigungsanteile in Richtung der ersten Achse 131 und der zweiten Achse 132 messen. Der zweite Beschleunigungssensor 130 kann zweite Beschleunigungsanteile in Richtung der ersten Achse 131' und der zweiten Achse 132' messen. Dabei kann sich die Ausrichtung der ersten Achse 131' und der zweiten Achse 132' des zweiten Beschleunigungssensors 130 von der Ausrichtung der ersten Achsen 131 und der zweiten Achse 132 des ersten Beschleunigungssensors 120 unterscheiden.
Die erste Achse 131 bzw. 131' kann beispielsweise eine Achse sein, die bei einer Rotation des Rotorblatts 101 an einer Windkraftanlage in einer entsprechenden Stellung des Rotorblatts 101 zwei Mal im Wesentlichen parallel zur Gravitationsbeschleunigung 10 ist. Die zweite Achse 132 bzw. 132' kann dementsprechend bei einer Rotation des Rotorblatts 101 an einer Windkraftanlage in einer entsprechenden Stellung des Rotorblatts 101 zwei Mal im Wesentlichen senkrecht zur Gravitationsbeschleunigung 10 sein.
Eine dritte Achse 133, die optional in Beschleunigungssensoren zur Verfügung gestellt sein kann. ist in der 1 zur ersten Achse 131 bzw. 131' und zur zweiten Achse 132 bzw. 132' im Wesentlichen senkrecht. Typischerweise ist die Längsachse 103 des Rotorblatts 101 im Wesentlichen parallel zur dritten Achse 133.
Gemäß typischen Ausführungsformen, kann insbesondere bei einer zusätzlichen Beschleunigungsmessung in einer dritten Achse bzw. einer dritten Dimension zur Bestimmung einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels die erste Beschleunigung in einer ersten Ebene bestimmt werden und die zweite Beschleunigung in einer zweiten Ebene bestimmt werden, die parallel zur ersten Ebene ist.
Wie in der 1 gezeigt, ist der zweite Beschleunigungssensor 130 bezüglich der Querschnittsebene des Rotorblatts 101 gegenüber dem ersten Beschleunigungssensor 120 um einen Torsionswinkel gedreht. Durch die dargestellte Orientierung bzw. Ausrichtung an der ersten Position im Rotorblatt 101, erfährt der erste Beschleunigungssensor 120 erste Beschleunigungsanteile von 1G in der ersten Achse 131 und von 0G in der zweiten Achse 132. Dabei bezeichnet „G“ die Fallbeschleunigung.
Der zweite Beschleunigungssensor 130 an der zweiten Position im Rotorblatt 101 erfährt hingegen zweite Beschleunigungsanteile von weniger als 1G (<1G) in einer ersten Achse 131' und von mehr als 0G (>0G) in einer zweiten Achse 132'. Dies liegt daran, dass die erste Achse 131' des zweiten Beschleunigungssensors 130 zumindest nicht vollständig parallel zur Gravitationsbeschleunigung 10 ist. Entsprechend ist die zweite Achse 132' des zweiten Beschleunigungssensors 130 zumindest nicht vollständig senkrecht zur Gravitationsachse 10.
Gemäß typischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann aus der unterschiedlichen Orientierung des ersten Beschleunigungssensors bezüglich des zweiten Beschleunigungssensors und den daraus resultierenden unterschiedlichen Beschleunigungsanteilen in den zwei Dimensionen des jeweiligen Beschleunigungssensors auf eine Torsionsdrehung geschlossen werden bzw. ein Pitchunterschied im Rotorblatt abgeleitet werden.
2 zeigt die Anordnung zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung 100 in dem Rotorblatt 101. Die Anordnung 100 umfasst eine Bestimmungseinheit 250.
In typischen Ausführungsformen ist die Bestimmungseinheit 250 mit dem ersten Beschleunigungssensor 120 und dem zweiten Beschleunigungssensor 130 verbunden. Jeweils der erste Beschleunigungssensor 120 und der zweite Beschleunigungssensor 130 können beispielsweise über Signalleitungen, wie in etwa elektrische Leitungen, faseroptische Leitungen etc. mit der Bestimmungseinheit 250 verbunden sein.
Die Bestimmungseinheit 250 kann typischerweise eine Torsion und/oder einen Pitchwinkel des Rotorblatts 101 anhand der ersten Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen der ersten Beschleunigung und anhand zweiter Beschleunigungsanteile in den zwei zweiten Dimensionen der zweiten Beschleunigung bestimmen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Anordnung 100 zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts 101 einer Windenergieanlage einen ersten Beschleunigungssensor 120 zum Messen einer ersten Beschleunigung in mindestens zwei ersten Dimensionen an einer ersten Position des Rotorblatts, einen zweiten Beschleunigungssensor 130 zum Messen einer zweiten Beschleunigung in mindestens zwei zweiten Dimensionen an einer von der ersten Position radial beabstandeten zweiten Position des Rotorblatts 101 und eine Bestimmungseinheit 250 zum Bestimmen einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels des Rotorblatts 101 anhand erster Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen der ersten Beschleunigung und anhand zweiter Beschleunigungsanteile in den zwei zweiten Dimensionen der zweiten Beschleunigung.
In 2 hat die Längsachse 103 des Rotorblatts 101 ein dazu ausgerichtetes Koordinatensystem, das heißt ein blattfestes Koordinatensystem, das in 2 exemplarisch durch vorstehend beschriebe erste Achse 131 und zweite Achse 132 dargestellt ist. Die dritte Achse 133 ist im Wesentlichen parallel zur Längsachse 103. Das Rotorblatt 101 aus 2 ist mit der Anordnung 100 zur Zustandsüberwachung des Rotorblatts ausgestattet. Der erste Beschleunigungssensor 120 ist an einer ersten Position 222 angebracht. Der zweite Beschleunigungssensor 130 ist an einer zweiten Position 232 angebracht. Hierbei bezeichnet das Bezugszeichen 105 den Abstand zwischen dem ersten Beschleunigungssensor 120 und dem zweiten Beschleunigungssensor 130. Der zweite Beschleunigungssensor 130 ist in Ausführungsformen radial vom ersten Beschleunigungssensor 120 beabstandet und ist insbesondere in Richtung der Längsachse 103 des Rotorblatts 101 beabstandet. In Abhängigkeit des Abstands ergibt sich eine unterschiedliche Auflösung und/oder eine unterschiedliche Messstrecke.
Gemäß typischen Ausführungsformen kann der erste Beschleunigungssensor 120 mit einem axialen Abstand zur Blattwurzel von 5 m oder weniger angebracht sein. Gemäß weiteren typischen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann der zweite Beschleunigungssensor mit einem axialen Abstand zur Blattwurzel von 5 m oder mehr angebracht sein. Typischerweise ist der Abstand des zweiten Beschleunigungssensors 130 zur Blattwurzel größer als der Abstand des ersten Beschleunigungssensors 120 zur Blattwurzel. Hierbei bezieht sich der axiale Abstand bzw. die axiale Richtung auf die Längsachse 103 des Rotorblatts 101. Gemäß noch weiteren Ausführungsformen kann der oder die Beschleunigungssensoren in einem Bereich von der Mitte des Rotorblattes hin zur Spitze des Rotorblattes angebracht sein.
Gemäß typischen Ausführungsformen, kann hierbei eine Positionierung eines Beschleunigungssensors, wie etwa des ersten und des zweiten Beschleunigungssensors entlang des Radius eines Rotorblatts wie folgt zur Verfügung gestellt werden. Bei Rotorblättern, die bis ca. 50 % bis 60 % des Radius (der Blattflanschs entspricht hier in etwa 0 % des Radius) begehbar sind, kann zumindest ein Beschleunigungssensor an einer radialen Position im Bereich der äußeren 70 % des Radius des Rotorblatts zur Verfügung gestellt werden. Bei Rotorblättern, die einen deutlich geringeren begehbaren Bereich aufweisen, kann der Vorteil einer Montage an einer begehbaren Position alternativ auch aufgegeben werden. In einem solchen Fall kann eine Montage eines Beschleunigungssensors nahe der Blattspitze, zum Beispiel in einem Bereich von 30 % bis 95 % des Radius (0 % entspricht dem Flansch an der Blattwurzel) zur Verfügung gestellt werden.
In solchen Ausführungsformen von Windkraftanlagen können der erste Beschleunigungssensor und/oder der zweite Beschleunigungssensor insbesondere in den äußeren 50 % des Radius des Rotorblatts, weiterhin insbesondere in einem Bereich von 60 % bis 90 % des Radius des Rotorblatts zur Verfügung gestellt sein. Weiterhin kann ein Lichtleiter zur Signalübertragung des Signals des ersten und/oder des zweiten Beschleunigungssensors gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage zur Verfügung gestellt. Ein entsprechendes Flussdiagramm ist in FIG: 7 dargestellt. Eine erste Beschleunigung wird in mindestens zwei ersten Dimensionen an einer ersten Position des Rotorblatts gemessen (siehe Box 702). Eine zweite Beschleunigung wird in mindestens zwei zweiten Dimensionen an einer von der ersten Position radial beabstandeten zweiten Position des Rotorblatts gemessen (siehe Box 704). Eine Torsion und/oder ein Pitchwinkel des Rotorblatts wird anhand erster Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen der ersten Beschleunigung und anhand zweiter Beschleunigungsanteile in den zwei zweiten Dimensionen der zweiten Beschleunigung bestimmt (siehe Box 706).
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, welche mit hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, wird das Messen der ersten Beschleunigung und das Messen der zweiten Beschleunigung mit zwei statisch messenden Beschleunigungssensoren durchgeführt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, welche mit hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, wird das Messen der ersten Beschleunigung an einem ersten Blattradius durchgeführt und das Messen der zweiten Beschleunigung an einem zweiten Blattradius durchgeführt, wobei sich der zweite Blattradius vom ersten Blattradius unterscheidet.
Durch den Einsatz absolut messender Beschleunigungssensoren kann die Verdrehung eines Beschleunigungssensors zur Gravitationsachse gemessen an zwei Positionen gemessen werden.
3 zeigt einen Teil einer Windkraftanlage 300. Auf einem Turm 40 ist eine Gondel 42 angeordnet. An einer Rotornabe 44 sind Rotorblätter 101 angeordnet, so dass der Rotor (mit der Rotornabe und den Rotorblättern) in einer durch die Linie 305 dargestellten Ebene rotiert. Typischerweise ist diese Ebene relativ zu der Senkrechten 307 geneigt. 4 zeigt eine Vorderansicht der Rotorblätter 101 und der Rotornabe 44 in Richtung der Rotationsachse, wobei die erste Achse 131', die aus der Papierebene herauszeigende zweite Achse 132' (dargestellt durch eingekreisten Punkt) und die dritte Achse 133' im blattfesten Koordinationssystem, sowie die Gravitationskraft bzw. die Gravitationsbeschleunigung 10 dargestellt sind.
Bei einer Rotation des Rotors der Windenergieanlage misst der erste Beschleunigungssensor 120 und/oder der zweite Beschleunigungssensor 130 unter anderem die Gravitationsbeschleunigung g (Bezugszeichen 10 in den 1 und 4), die in 6 durch Kurve 601 dargestellt ist. Diese Gravitationsbeschleunigung wird im Koordinatensystem gemäß 1 und 4 in Richtung der ersten Achse 131 bzw. 131' gemessen. Durch die Neigung des Rotors, die in 3 dargestellt ist, wird im Koordinatensystem in 4 die Gravitationsbeschleunigung auch in Richtung der zweiten Achse 132 bzw. 132'gemessen.
6 zeigt anschaulich ein dargestelltes Messsignal 612, welches typischerweise in der in 4 eingezeichneten Richtung der ersten Achse 131 bzw. 131' gemessen wird. Dem Messsignal 612 sind typischerweise äußere Einflüsse wie in etwa Vibration und andere parasitäre Beschleunigungen überlagert.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können erste Signale des Messens der ersten Beschleunigung und/oder zweite Signale des Messens der zweiten Beschleunigung mit einem Tiefpass gefiltert werden.
Durch Bereinigung des Messsignals von äußeren Beschleunigungen erhält man das dargestellte Gravitationsbeschleunigungssignal 601. Die Bereinigung kann beispielsweise über den Tiefpass erfolgen. Dabei kann gemäß typischen Ausführungsformen ein Tiefpass für Frequenzen von 0,6 Hz oder darunter, typischerweise von 0,4 Hz und darunter, auf die Signale bzw. Werte der Beschleunigungssensoren angewendet werden. Bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von zum Beispiel 0,2 Hz ergibt diese Filterung für das in 6 dargestellte Signal einen im Wesentlichen glatten Verlauf, zum Beispiel ein Sinusverlauf.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das Messen der ersten Beschleunigung anhand von Rotorblattreferenzpositionen extrapoliert werden und/oder das Messen der zweiten Beschleunigung anhand von Rotorblattreferenzpositionen extrapoliert werden. Falls das Blatt beispielsweise nicht rechtwinkelig zur Gravitationsachse steht, kann aus bekannten Referenzpositionen die extrapoliert werden. Somit kann die Lage des Blatts zur Gravitationsachse aus den Signalen der Beschleunigungssensoren abgeleitet werden.
Steuerungen moderner Windkraftanlagen beinhalten typischerweise eine sogenannte Pitch-Regelung, wobei das Rotorblatt um die in 2 dargestellte Achse 52 gedreht wird. Demzufolge ändert sich in einem blattfesten Koordinationssystem die Richtung der in 4 dargestellten ersten Achse 131' während einer Rotation des Rotorblatts 101 um die Längsachse 103.
Bei der Betrachtung der von einem Beschleunigungssensor gemessenen Beschleunigung, wie etwa der vom ersten und vom zweiten Beschleunigungssensor 120, 130 gemessenen, die den Einfluss der Gravitationsbeschleunigung auf eine Testmasse beinhaltet, bedarf es zur verbesserten Bewertung der Signale einer Betrachtung der verschiedenen Koordinatensysteme. Zum einen existiert ein blattfestes Koordinatensystem. Dieses ist in 2 dargestellt. Bei einer Rotation des Rotorblatts um die Längsachse 103 rotieren das Koordinatensystem sowie der erste Beschleunigungssensor 120 und der zweite Beschleunigungssensor 130. Darüber hinaus existiert ein Koordinatensystem welches fest in Bezug auf die Rotornabe 44 ist. Dabei handelt es sich um ein rotierendes Koordinatensystem, welches unabhängig von einer Pitch-Regelung verwendet werden kann. Ferner existiert ein ortsfestes Koordinatensystem, welches fest in Bezug auf die Windenergieanlage 300 und somit fest in Bezug auf die Gravitationskraft bzw. Gravitationsbeschleunigung ist.
Gemäß typischen Ausführungsformen wird das Signal oder werden die Signale, die mit einer Beschleunigung korrespondieren, über die Zeit integriert, insbesondere zweifach über die Zeit integriert, um eine Verschiebung, Positionsänderung bzw. Ortsänderung des ersten Beschleunigungssensors und/oder des zweiten Beschleunigungssensor und damit der entsprechenden Verschiebung bzw. Ortsänderung der Rotorblattposition zu bestimmen. Hierbei wird dem Beschleunigungssensor ein Ort am Rotorblatt zugewiesen. Der Sensor misst die Beschleunigung an diesem Ort des Rotorblatts. Diese Beschleunigung ergibt sich aus der Gravitationsbeschleunigung, durch die Rotation des Rotors, und durch Bewegungen, d.h. Verformungen des Rotorblatts. Durch Integration des Signals nach der Zeit (2-fach) erhält man die Verschiebung dieses Ortes bzw. die Positionsänderung dieses Ortes. Die Verschiebung dieses Ortes im Sinne einer Vektorverschiebung der Ortskoordinate dieses Ortes bzw. die Positionsänderung diese Ortes im Sinne von neuen Ortskoordinaten x', y' und z' durch den Zusammenhang x'=x+Δx, y'=y+Ay, und z'=z+Δz, wobei der Vektor (Δx, Δy, Δz) die Positionsänderung angibt, wird hier synonym verwendet.
Gemäß noch weiteren Ausführungsformen kann eine Beschleunigung in 3 Richtungen gemessen.
Bei der Rotation des Blatt an einer Windenergieanlage, ist das Blatt 2-mal zur Gravitationsachse rechtwinklig gelagert. Eine Messung an diesem Punkt zeigt wie der erste und der zweite Beschleunigungssensor im Raum zur Gravitationsachse stehen. Aus dem Vergleich der Lagepositionen aller Sensoren kann auf die Verdrehung des Blatts geschlossen werden. Der Winkel kann über konventionelle Trigonometrie errechnet werden. In diesem Fall ist die Summe der Quadrate statisch 1G.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird beim Bestimmen eine Verdrehung der ersten Beschleunigungsanteile zur Gravitationsrichtung und der zweiten Beschleunigungsanteile zur Gravitationsrichtung ausgewertet.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das Messen der ersten Beschleunigung an einer horizontalen Rotorblattposition durchgeführt werden und/oder das Messen der zweiten Beschleunigung an einer horizontalen Rotorblattposition durchgeführt werden.
Die Verwendung von mindestens zwei Beschleunigungssensoren, insbesondere eines ersten Beschleunigungssensors und einer ersten Position und eines zweiten Beschleunigungssensors an einer radial von der ersten Position beabstandeten zweiten Position, ermöglicht eine einfachere und unkompliziertere Installation gegenüber Drehsensoren oder Torsionssensoren. Des Weiteren kann die Anordnung der Beschleunigungssensoren der vorliegenden Offenbarung im geschützten Innenbereich der Rotorblätter bzw. der Windenergieanlage installiert werden. Somit kann die Anordnung vor äußeren Umwelteinwirkungen besser geschützt werden. Alternativ können ein oder mehrere Drucksensoren auch im Außenbereich, zum Beispiel in oder an einer 5-Lochsonde zur Verfügung stellt sein. Beispielsweise kann mittels einer symmetrischen Anordnung der Drucksensoren in oder an der 5-Lochsonde der Anstellwinkel eines Rotorblatts zum Wind bestimmt werden und dadurch eine Torsions-, bzw. Pitchüberwachung durchgeführt werden.
In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann zum Bestimmen der Torsion und/oder des Pitchwinkels ein Vergleich, insbesondere eine Differenz, verwendet werden. Durch das Messen der ersten Beschleunigung an der ersten Position in und das Messen der zweiten Beschleunigung an einer radial von der ersten beabstandeten zweiten Position kann somit eine Art Differenzmessung bzw. Vergleichsmessung erfolgen. Dadurch können Drifteffekte verringert oder sogar vermieden werden.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können weitere Algorithmen-Möglichkeiten auf der gleichen Hardware erfolgen, wie in etwa eine Frequenzanalyse oder ähnliches. Das heißt, dass zum Beispiel durch eine andere Filterung, eine Vibrationsanalyse oder eine Eigenfrequenzanalyse des Rotorblatts zur Verfügung gestellt werden kann.
Die für die in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendbaren Beschleunigungssensoren für die hierin beschriebenen Anordnungen und Verfahren werden nun in Bezug auf 5A und 5B beschrieben. 5A zeigt einen Sensor 500 wobei eine Testmasse 512 an einer optischen Fasern 522 angebracht ist. Ein Gehäuse 502 ist derart ausgestaltet, dass bei einer Beschleunigung der Masse 512 eine Dehnung, d.h. eine relative Längenänderung (Verlängerung oder Verkürzung) der optischen Faser 522 eintritt. Durch die Dehnung der optischen Faser 522 wird das Faser-Bragg-Gitter 524 verändert. Dies führt zu einer veränderten Reflexion bzw. Transmission des Faser-Bragg-Gitters in Bezug auf die reflektierten bzw. transportierten Wellenlängen. Diese Änderung kann als Maß für die Dehnung der Faser und somit indirekt als Maß für die Beschleunigung der Testmasse 512 verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind der erste und der zweite Beschleunigungssensor eingerichtet um in mindesten zwei Dimensionen eine erste bzw. eine zweite Beschleunigung zu messen. Ein erster Beschleunigungssensor 120 bzw. ein zweiter Beschleunigungssensor 130 kann entsprechen aus einer Kombination von zwei der in 5A gezeigten Sensoren 500 aufgebaut sein. In dieser Ausführungsform misst jeder der zwei Sensoren 500 eines Beschleunigungssensors eine Beschleunigung in einer der jeweiligen zwei Dimensionen.
In weiteren Ausführungsformen kann der Beschleunigungssensor als ein 3D-Beschleunigungssensor ausgeführt sein. In 5B ist ein Beschleunigungssensor 550 dargestellt. Die in der 5B gezeigte Anordnung kombiniert 3 der in 5A gezeigten Sensoren 500, wobei die Rotation der Sensoren in Illustration eine dreidimensionale Anordnung darstellen soll, so dass 3 Beschleunigungswerte in einem Koordinatensystem, wie zum Beispiel einem kartesischen Koordinatensystem, gemessen werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die hierin beschriebene Anordnung ein System zur Datenverarbeitung aufweisen, das Mittel zur Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens umfasst. Beispielsweise kann das System einen Computerprozessor umfassen, der derart konfiguriert ist, dass er das hierin beschriebene Verfahren ausführen kann, wobei die auszuführenden Befehle auf einem computerlesbaren Medium vorliegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Windkraftanlage mit der Anordnung zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts nach einem der hierin beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung gestellt. 3 zeigt beispielsweise einen Abschnitt einer Windenergieanlage 300 aufweisend die hierin beschriebenen Anordnung 100.
Die Windenergieanlage beinhaltet typischerweise ein erstes Rotorblatt, das an einer Nabe montiert ist und zumindest ein zweites Rotorblatt das an der Nabe montiert ist. Die Windenergieanlage beinhaltet insbesondere einen ersten Beschleunigungssensor wobei der erste Beschleunigungssensor an einer radialen Position im Bereich der äußeren 70 % des Radius des ersten Rotorblatts zur Verfügung gestellt ist und einen zweiten Beschleunigungssensor, der radial vom ersten Beschleunigungssensor beabstandet zur Verfügung gestellt ist. Typischerweise weist die Windenergieanlage mindestens eine Messsignalleitung zum Führen des Messsignals des ersten Beschleunigungssensors und des zweiten Beschleunigungssensors, zur Überwachung, Steuerung und/oder Regelung des Rotorblatts.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand typischer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.

Claims

Verfahren zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts (101) einer Windenergieanlage, umfassend: Messen einer ersten Beschleunigung mittels eines ersten Beschleunigungssensors (120) in mindestens zwei ersten Dimensionen entlang einer ersten Achse (131) und einer zweiten Achse (132) an einer ersten Position des Rotorblatts (101), wobei die erste Achse (131) und die zweite Achse (132) der zwei ersten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; Messen einer zweiten Beschleunigung mittels eines zweiten Beschleunigungssensors (130) in mindestens zwei zweiten Dimensionen entlang einer ersten Achse (131') und zweiten Achse (132') an einer von der ersten Position radial beabstandeten zweiten Position des Rotorblatts (101), wobei die erste Achse (131') und die zweite Achse (132') der zwei zweiten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; und Bestimmen einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels des Rotorblatts (101) anhand erster Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen der ersten Beschleunigung und anhand zweiter Beschleunigungsanteile in den zwei zweiten Dimensionen der zweiten Beschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen der ersten Beschleunigung und das Messen der zweiten Beschleunigung mit zwei statisch messenden Beschleunigungssensoren (120, 130) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Messen der ersten Beschleunigung an einem ersten Blattradius durchgeführt wird und das Messen der zweiten Beschleunigung an einem zweiten Blattradius durchgeführt wird, wobei sich der zweite Blattradius vom ersten Blattradius unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei beim Bestimmen eine Verdrehung der ersten Beschleunigungsanteile zur Gravitationsrichtung und der zweiten Beschleunigungsanteile zur Gravitationsrichtung ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Messen der ersten Beschleunigung an eine horizontalen Rotorblattposition durchgeführt wird und/oder das Messen der zweiten Beschleunigung an eine horizontalen Rotorblattposition durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Messen der ersten Beschleunigung anhand von Rotorblattreferenzpositionen extrapoliert wird und/oder das Messen der zweiten Beschleunigung anhand von Rotorblattreferenzpositionen extrapoliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei erste Signale des Messens der ersten Beschleunigung und/oder zweite Signale des Messens der zweiten Beschleunigung mit einem Tiefpass gefiltert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zum Bestimmen der Torsion und/oder des Pitchwinkels ein Vergleich, insbesondere eine Differenz, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zum Bestimmen der Torsion und/oder des Pitchwinkels die erste Beschleunigung in einer ersten Ebene bestimmt wird und die zweite Beschleunigung in einer zweiten Ebene bestimmt wird, die parallel zur ersten Ebene ist.
Anordnung zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts (101) einer Windenergieanlage, umfassend: einen ersten Beschleunigungssensor (120) zum Messen einer ersten Beschleunigung in mindestens zwei ersten Dimensionen entlang einer ersten Achse (131) und einer zweiten Achse (132) an einer ersten Position des Rotorblatts (101), wobei die erste Achse (131') und die zweite Achse (132') der zwei zweiten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; einen zweiten Beschleunigungssensor (130) zum Messen einer zweiten Beschleunigung in mindestens zwei zweiten Dimensionen entlang einer ersten Achse (131') und einer zweiten Achse (132') an einer von der ersten Position radial beabstandeten zweiten Position des Rotorblatts (101), wobei die erste Achse (131') und die zweite Achse (132') der zwei zweiten Dimensionen im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen; und eine Bestimmungseinheit (250) zum Bestimmen einer Torsion und/oder eines Pitchwinkels des Rotorblatts (101) anhand erster Beschleunigungsanteile in den zwei ersten Dimensionen der ersten Beschleunigung und anhand zweiter Beschleunigungsanteile in den zwei zweiten Dimensionen der zweiten Beschleunigung.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei der erste und der zweite Beschleunigungssensor (120, 130) als faseroptische Sensoren ausgeführt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 11 mit einem System zur Datenverarbeitung, umfassend Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9.
Windkraftanlage mit der Anordnung zur Torsionsüberwachung und/oder Pitchüberwachung eines Rotorblatts nach Anspruch 10 bis 12.