*DE U *

Transkript

1 (19) *DE U * (10) (12) Gebrauchsmusterschrift (21) Aktenzeichen: (22) Anmeldetag: (47) Eintragungstag: (45) Bekanntmachungstag im Patentblatt: (73) Name und Wohnsitz des Inhabers: Baum, Justus, Sanitz, DE; Bockhahn, Reik, Rostock, DE; Dehne, Niklas, Kühlungsborn, DE; Hollmann, Thomas, Bad Doberan, DE; Holzhausen, Tizian, (51) Int Cl.: F03D 80/00 ( ) Rostock, DE; Köhnke, Lennart, Rostock, DE; Rosenow, Sven-Erik, Dummerstorf, DE; Stolpe, Emma, Rostock, DE; Zierath, János, Dr., Rostock, DE (74) Name und Wohnsitz des Vertreters: Schnick & Garrels Patentanwälte PartG mbb, Rostock, DE Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen. (54) Bezeichnung: Windkraftanlagen (57) Hauptanspruch: Windkraftanlagen (1) umfassend ein Bodensegment (11), ein frei bewegliches, der Windrichtung folgendes Flugsegment, welches mittels eines Verbindungselementes (10) mit dem Bodensegment (11) gekoppelt ist, und ein Winkelmessgerät (18), durch welches aus dem auf das Flugsegment anströmenden Wind und eine dadurch bedingte Richtungsveränderung des Verbindungselementes (10) eine Abweichung von einer Nullrichtung messbar ist.

2 Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten von Windkraftanlagen, insbesondere auch zum Ausrichten von Windkraftanlagen, die in einem Windpark zusammengefasst sind. [0002] Für eine effiziente Nutzung der Windenergie ist es notwendig, dass Windkraftanlagen optimal im Wind stehen. Das für die Messung der Windrichtung verwendete Gerät befindet sich jedoch in einem Bereich hinter den Rotorblättern, wodurch diese durch die mit der Rotation verbundenen Verwirbelungen die entsprechende Messung verfälschen. Infolgedessen sind Windräder nicht optimal im Wind ausgerichtet und erzeugen nicht die Energie, die sie erzeugen könnten. Darstellung der Erfindung [0003] Die Energiegewinnung auf der Grundlage erneuerbarer Energieträger hat in Deutschland eine immer größere Bedeutung. Wegen der geographischen Voraussetzungen spielt dabei insbesondere in Mecklenburg-Vorpommem die Windenergie eine große Rolle. [0004] Eine Windenergieanlage besteht im Wesentlichen aus dem Rotor, der seine Rotationsenergie mittels eines Getriebes an einen Generator überträgt. Dieser wandelt dann die mechanische in elektrische Energie um. Getriebe und Generator befinden neben weiteren Bauteilen in einer sogenannten Gondel. [0005] Der Rotor steht auf der dem Wind zugewandten Seite, um ein ungehindertes Auftreffen des Windes auf die Rotorblätter zu gewährleisten. Im Optimalfall wird die Gondel so ausgerichtet, dass der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor des Windes und der Längsachse des Rotors gleich Null ist. Ist dies nicht der Fall, spricht man von einem Azimutfehler. [0006] Das Problem liegt nun darin, dass das für die Messung der Windrichtung verwendete Messgerät auf der windabgewandten Seite des Rotors liegt und damit den Verwirbelungen, die durch die Rotation der Rotorblätter entstehen, ausgesetzt ist. Das Signal für die Ausrichtung des Rotors basiert damit auf verfälschten Messwerten, was eine nicht optimale Ausrichtung der Windkraftanalage zur Folge hat. [0007] Es wurde beobachtet, dass schon bei kleinen Windstärken (4 m/s bis 10 m/s) die mittlere Abweichung zwischen -8 und 8 liegt. Das bedeutet, dass der Rotor vom Wind schräg angeströmt und damit nicht die volle Windenergie in Rotationsenergie umgesetzt wird. Weiterhin ist zu sehen, dass bei höheren Windstärken der mittlere Fehler weiter zunimmt. In Einzelfällen ist eine Abweichung von nahezu 40 zu beobachten. Dabei gehen bis zu 25% der Windenergie verloren. [0008] Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Aspekt ist die zusätzliche mechanische Belastung der Anlage. Diese ist nicht für solche Schräganströmung konzipiert, so dass sich ihre Lebensdauer verkürzt. [0009] Diese Probleme sind Betreibern von Windparks bekannt. Die bisher verwendete Lösung besteht darin, einen Mast zu errichten, der unbeeinflusst von Verwirbelungen neben weiteren Größen Windrichtung sowie Windgeschwindigkeit misst. Diese Werte werden mit den auf dem Windrad ermittelten verglichen und so ein Ausgleichswert für die Ausrichtung des Rotors berechnet. Das Errichten und Betreiben solcher Messmaste ist allerdings außerordentlich aufwendig. Die Kosten hierfür liegen im Bereich von ca Euro und lohnen sich daher oft nur für besonders große Windparks. [0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlagen bereitzustellen, die sich schnell installieren lässt und in hoher Qualität Informationen über den anströmenden Wind ermittelt, die dann zur optimalen Ausrichtung der Windkraftanlagen in den Wind genutzt werden. [0011] Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei die Unteransprüche weitere Ausgestaltungen beschreiben. [0012] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausrichten von Windkraftanlagen umfasst ein Bodensegment, ein frei bewegliches, der Windrichtung folgendes Flugsegment und ein Winkelmessgerät. Das Flugsegment ist mittels eines Verbindungselementes mit dem Bodensegment gekoppelt. Mit dem Winkelmessgerät ist ein Winkel messbar, welcher sich aus dem auf das Flugsegment anströmenden Wind und einer dadurch bedingten Richtungsveränderung des Verbindungselementes und der Abweichung von einer Nullrichtung ergibt. Bei geschickter Wahl der Parameter wie Abstand zum Windrad, Höhe des Flugsegmentes über dem Erdboden und Genauigkeit des verwendeten Winkelmessers kann vergleichsweise einfach und kostengünstig die optimale Windrichtung ermittelt werden, so dass eine Effizienzsteigerung der Windkraftanlage auf einfachem Weg erreicht werden kann. Als Flugsegment können Drachen oder Ballone dienen, da diese mit einer einzelnen Leine in einer gewünschten Position gehalten werden können. [0013] In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlagen ist das Flugsegment ein Kastendrachen. Dieser zeichnet sich vor Allem durch den Umstand aus, dass er aufgrund der horizontalen Auftriebs- und vertikalen Stabilisierungsflächen kaum 2/6

3 windanfällig ist und zudem auch eine kleine Last tragen kann. Durch die Ausgestaltung des Drachens in dieser Form minimiert man die Gefahr von Verwirbelungen am Flugsegment, so dass die Messwerte mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines sog. Cody-Drachens gezeigt, der nach seinem Erfinder Samuel Franklin Cody benannt ist und fähig ist, bestimmte Lasten zu tragen. [0014] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlagen ist das Winkelmessgerät ein Paar von GPS-Empfängern, wobei ein GPS-Empfänger am Flugsegment und ein GPS-Empfänger am Bodensegment angeordnet sind. Durch die Messung beider Positionen ist die Richtung des Flugsegments und damit des Windes leicht ermittelbar. Die empfangenen Daten können zudem leicht in bestehende Informationsquellen auf Lagebasis eingebunden werden. Weiterhin bietet die Verwendung eines GPS- Empfängers eine gute Information über die Höhe des Flugsegmentes über dem Erdboden, mit der die Positionierung vor dem Rotor verbessert oder berücksichtigt werden kann. [0015] Für die Genauigkeit der Messung der Windrichtung ist es in jedem Falle ausreichend, die Lagekoordinate des Drachens am Boden zu ermitteln, z.b. auch durch eine Messung mittels eines geeigneten Messgerätes. [0016] Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlagen ist das Winkelmessgerät ein kreisförmig gestaltetes Potentiometer. Dieses kann durch einen Kontakt, der vom Drachen geführt wird, einen Spannungswert ermitteln und an einen Mikrocontroller senden. Aus diesem Wert kann dann - nach einer entsprechenden Kalibrierung des Potentiometers - die Windrichtung berechnet werden. Hier hängt viel von der Qualität des Potentiometers und der Qualität der Kalibrierung ab. [0017] Schließlich ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Windkraftanlagen vorgesehen, dass das Winkelmessgerät ein Kompass ist, bevorzugt ein Kompass mit einem elektronischen Abgriff. Es ist auch möglich ein mobiles Kommunikationsgerät zu wählen, das die Funktionen eines Kompasses aufweist. Dieses bietet den Vorteil, dass ermittelte Daten direkt zur Weiterverarbeitung vor Ort aber auch zur Weiterverarbeitung an einer beliebigen Stelle weitergeleitet werden können. [0018] Schließlich ist nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausrichten von Windkraftanlagen eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen, welche geeignet ist, aus Messwerten den Winkel der Windrichtung zu bestimmen. Diese kann direkt vor Ort im Windpark bzw. an der Windkraftanlage vorgesehen sein, es ist aber auch denkbar, diese Datenverarbeitungsanlage an einem beliebigen Ort zu unterhalten und ermittelte Werte per Datenfernübertragung an die Datenverarbeitungsanlage weiterzuleiten. [0019] Weiterhin ist nach einer besonderen Ausgestaltung der Windkraftanlagen vorgesehen, dass das Bodensegment horizontal ausrichtbar ist. Dies erhöht die Präzision der Messung und vereinfacht die Anordnung. Teure Lösungen zur Verbringung des Winkelmessgerätes in eine horizontale Lage können so umgangen werden. [0020] In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlagen ist vorgesehen, dass das Verbindungselement an einem flexiblen oder klappbaren Teil des Bodensegments angeordnet ist. So kann gewährleistet werden, dass Lasten, die auf das Flugsegment wirken, nicht die Drehung des Bodensegmentes oder eines Teils desselben beeinflussen und so die Genauigkeit der Winkelmessung gesteigert wird. [0021] Vorteil der Erfindung ist es, dass sowohl Boden- als auch Flugsegment mit einfachen Mitteln zu einer Windkraftanlage oder einem Windpark verbracht werden können. Hierzu reicht ein kleiner Lieferwagen. Zudem ist der Aufbau schnell von wenigen Personen zu bewerkstelligen. Dies reduziert die Kosten für die Ermittlung der Windrichtung, für die bislang ein teures Bauwerk meist auf extra ausgewiesenem Grund durch eine große Gruppe von Personen über Wochen oder wenigstens Tage errichtet werden musste. Durch diese Flexibilität im Aufbau können innerhalb eines Windparks theoretisch auch Messwerte für je Anlage einzeln ermittelt werden, so dass hier eine Effizienzsteigerung sogar noch möglich ist. Figurenliste [0022] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigen Fig. 1 die Seitenansicht einer Gondel nach dem Stand der Technik, Fig. 2 die Draufsicht auf eine Gondel nach dem Stand der Technik, Fig. 3 die Ansicht eines Kastendrachens und Fig. 4 die Seitenansicht eines Bodensegments. [0023] In Fig. 1 ist eine Windkraftanlage 1 nach dem Stand der Technik gezeigt, die eine Gondel 2, einen Rotor 3 und Rotorblätter 4 umfasst. Auf der Gondel 2 ist eine Windmesseinrichtung 5 angeordnet. Diese wird eingesetzt, um die tatsächliche Richtung 6 des 3/6

4 anströmenden Windes zu messen. Die Verwirbelungen 7 an der Windkraftanlage 1 führen allerdings dazu, dass die Richtungsmessung fehlerbehaftet ist. [0024] Wie dieser Fehler sich auswirkt, zeigt Fig. 2. Dort ist die Windkraftanlage 1 nach dem Stand der Technik mit Gondel 2, Rotor 3 und Rotorblättern 4 in der Draufsicht zu sehen. Durch die Verwirbelungen 7 um die Windmesseinrichtung 5 herum wird statt der tatsächlichen Windrichtung 6 die verfälschte Windrichtung 8 festgestellt und die Windkraftanlage dementsprechend ausgerichtet. [0025] Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausrichtung von Windkraftanlagen 1 kann ein in Fig. 3 gezeigter Kastendrachen 9 sein. Dieser ist mittels eines Verbindungselementes 10 in Form einer einzelnen Leine mit dem hier nicht dargestellten Bodensegment 11 verbunden. [0026] Das Bodensegment 11 ist wiederum in Fig. 4 dargestellt. Dieses verfügt im Beispiel über eine Bodenplatte 12 mit wenigstens 4 Füßen 13. Oberhalb der Bodenplatte ist eine Ausgleichsplatte zur horizontalen Ausrichtung 14 angeordnet, die mittels höhenverstellbare Schrauben 15 in die Waagerechte ausgerichtet werden kann. Über einen Drehfuß 16 ist sodann eine Winkelmesserträgerplatte 17 auf der Ausgleichsplatte zur horizontalen Ausrichtung angeordnet, die den Winkelmesser 18 sowie eine Schnurrolle 19 für das Verbindungselement 10 trägt. [0027] Da es sich bei dem vorhergehenden, detailliert beschriebenen Bodensegment um ein Ausführungsbeispiel handelt, kann es in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Winkelmesserträgerplatte in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Ebenso kann das Flugsegment in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Gründen der Strömungseigenschaften und damit der Flugruhe bzw. Stabilitätsgründen notwendig ist. Weiter schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel ein bzw. eine nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. 2. Windkraftanlagen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flugsegment ein Ballon oder ein Kastendrachen (9) ist. 3. Windkraftanlagen dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelmessgerät (18) ein Paar von GPS-Empfängern ist, wobei ein GPS-Empfänger am Flugsegment und ein GPS- Empfänger am Bodensegment (11) angeordnet ist. 4. Windkraftanlagen (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelmessgerät (18) ein kreisförmig gestaltetes Potentiometer ist. 5. Windkraftanlagen (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelmessgerät (18) ein Kompass ist, bevorzugt ein Kompass mit einem elektronischen Abgriff. 6. Windkraftanlagen dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, welche geeignet ist, aus Messwerten den Winkel der Windrichtung zu bestimmen. 7. Windkraftanlagen dadurch gekennzeichnet, dass das Bodensegment (11) horizontal ausrichtbar ist. 8. Windkraftanlagen dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10) an einem flexiblen oder klappbaren Teil des Bodensegments (11) angeordnet ist. Es folgen 2 Seiten Zeichnungen Schutzansprüche 1. Windkraftanlagen (1) umfassend ein Bodensegment (11), ein frei bewegliches, der Windrichtung folgendes Flugsegment, welches mittels eines Verbindungselementes (10) mit dem Bodensegment (11) gekoppelt ist, und ein Winkelmessgerät (18), durch welches aus dem auf das Flugsegment anströmenden Wind und eine dadurch bedingte Richtungsveränderung des Verbindungselementes (10) eine Abweichung von einer Nullrichtung messbar ist. 4/6

5 Anhängende Zeichnungen 5/6

6 6/6