DE102016114051A1

DE102016114051A1 - Windgeschwindigkeitserfassung für eine Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102016114051A1
Application number: DE102016114051.1A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Brenner; Frank Knoop; Uwe Helmke
Original assignee: Wobben Properties GmbH
Current assignee: Wobben Properties GmbH
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-02-01
Also published as: WO2018019560A1; JP2019523363A; RU2019105104A; KR20190032555A; US20190170123A1; CN109563815A; EP3491241A1; RU2019105104A3; CA3030993A1; BR112019001561A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen wenigstens eines Windwertes, wobei der Windwert mittels wenigstens einer Messdrohne (2) erfasst wird, und die Messdrohne (2) zum Erfassen des Windwertes in eine vorgebbare Position fliegt, in der vorgebbaren Position durch eine Positionsregelung gehalten wird oder ihre Veränderung zu der vorgebbaren Position erfasst wird, den wenigstens einen Windwert erfasst und den wenigstens einen erfassten Windwert oder wenigstens einen dafür repräsentativen Wert an eine Auswerteeinrichtung (10) überträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen wenigstens eines Windwertes, besonders zur Verwendung zum Steuern einer Windenergieanlage. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Windenergieanlage basierend auf wenigstens einem erfassten Windwert. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Messdrohne sowie eine Anordnung mehrerer Messdrohnen. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Windenergieanlage sowie ein Windenergiesystem mit einer oder mehrerer Windenergieanlagen.
Windenergieanlagen sind allgemein bekannt und sie werden dafür verwendet, elektrische Energie aus Wind zu erzeugen. Zu ihrer Steuerung kann es zumindest hilfreich sein, Eigenschaften des Windes zu erfassen. Dazu gehört besonders die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung, was nachfolgend auch als Windwert bzw. Windwerte bezeichnet wird.
Bspw. können auch Windmessungen zur Ermittlung von Leistungskurven durchgeführt werden, die üblicherweise mit Hilfe eines stromaufwärts der Windenergieanlage angeordneten Windmessmasts durchgeführt wird.
Ein solcher Windmessmast ist aber fest verankert und das bedingt, dass die Messungen nur für eine einzige Windrichtung korrekt sein können und bei davon abweichenden Windrichtungen einer Korrektur bedürfen. Auch ist die Installation des Windmessmastes wegen der notwendigen Verankerungen und Abspannungen aufwendig.
Alternativ könnten auch Messungen mit Messvorrichtungen auf der betreffenden Windenergieanlage durchgeführt werden. Besonders aber die Verwendung eines sog. Gondelanemometers ist dabei sehr ungenau, auch bedingt dadurch, dass der Betrieb der Windenergieanlage diese Messeinrichtung stört, nämlich besonders das Drehen des Rotors, bei dem die Rotorblätter die Messvorrichtung passieren.
Die Verwendung von Messeinrichtungen auf der Gondel einer Windenergieanlage haben zudem regelmäßig das Problem, dass sie die Windgeschwindigkeit nur im Bereich der Gondel, nicht aber im gesamten Bereich der Rotorfläche bestimmen können, also in dem Bereich, den die Rotorblätter im Betrieb der Windenergieanlage überstreichen. Somit ist damit regelmäßig das Erfassen eines Windfeldes nicht oder nur ungenügend möglich.
Auch technisch aufwendige Messungen wie eine Ultraschallmessung kommen in Betracht, sind aber sehr aufwendig und kostspielig.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zumindest eins der o. g. Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, mit der auf einfache Art und Weise ein Windfeld für eine Windenergieanlage aus verschiedenen Richtungen erfasst werden kann. Dabei sollte eine solche Lösung möglichst flexibel und kostengünstig sein. Zumindest soll zu bisher bekannten Lösungen eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Das Verfahren ist dazu vorgesehen, wenigstens einen Windwert zu erfassen. Ein solcher Windwert kann eine Windgeschwindigkeit, eine Windrichtung als auch eine Böigkeit des Windes sein. Zum Erfassen wird vorgeschlagen, eine Messdrohne einzusetzen. Die Messdrohne kann vereinfachend auch als Drohne bezeichnet werden.
Diese Messdrohne, wobei auch mehrere verwendet werden können, fliegt zum Erfassen des Windwertes, oder mehrerer Windwerte, in eine vorgebbare Position. Diese vorgebbare Position kann bspw. auf Höhe der Gondel einer Windenergieanlage sein, wobei ein vorgegebener Abstand wie bspw. 100 Meter, eingehalten wird. Diese Position vor der Windenergieanlage kann besonders bedeuten, dass diese Position unmittelbar in luv vor der Windenergieanlage ist, die Windenergieanlage sich also bezogen auf die in dem Moment vorhandene Windrichtung unmittelbar hinter dieser Messdrohne befindet. Es kommen aber auch andere Positionen in Betracht, besonders dann, wenn ein Windfeld vermessen werden soll und auch besonders dann, wenn mehrere Messdrohnen verwendet werden, die gleichzeitig in unterschiedlichen Positionen operieren.
Die nun betrachtete Messdrohne wird nun in dieser vorgebbaren Position durch eine Positionsregelung gehalten. Dadurch können die Windwerte an dieser Position erfasst werden. Außerdem oder alternativ kann auch eine Veränderung der Position der Messdrohne in Bezug auf die vorgebbare Position erfasst werden. Dadurch kann diese Veränderung der Position dieser Messdrohne bei der Auswertung berücksichtigt und ggf. herausgerechnet werden. Dabei kann dies gewollte oder ungewollte Veränderungen der Position der Messdrohne betreffen. Bspw. kann auch vorgesehen sein, dass die Position einen abzufliegenden Positionspfad bildet.
Es wird nun durch die Messdrohne der wenigstens eine Windwert erfasst und an eine Auswerteeinrichtung übertragen. Dazu kann bereits in der Messdrohne aus den aufgenommenen Werten, also aus Rohdaten, der Windwert, also bspw. die Windgeschwindigkeit und/oder die Windrichtung, berechnet und übertragen werden. Es kommt dabei auch in Betracht, dass die Rohdaten übertragen werden und erst bei der Auswerteeinrichtung daraus die entsprechenden Windwerte berechnet werden. Es kommt auch eine Zwischenlösung in Betracht, bei der an der Messdrohne eine erste Vorauswertung erfolgt, oder nur ein Teil der Windwerte ausgerechnet wird, oder eine Ausrechnung ohne Normierung erfolgt, um nur einige Beispiele zu nennen. Besonders kann bspw. auch eine Böigkeit erst bei der Auswerteeinrichtung aus mehreren Werten der Windgeschwindigkeit ermittelt werden.
Die Meßdrohnen können auch zur Ermittlung von Windbedingungen an geplanten Standorten eingesetzt werden, um die Eignung des Standorts zu ermitteln, das kann auch als Site-Assessment bezeichnet werden. Dabei können Eigenschaften des Standortes betimmt werden, wie Ertragsprognosen, Höhenprofile, Wind-Shear und Turbulenz-Intensität.
Eine Ausführungsform der Erfindung schlägt eine autonome Ablösung einer Messdrohne durch eine weitere Messdrohne vor, sobald der Akku der ersten Messdrohne verbraucht ist. Durch einen solchen zyklischen Wechsel können trotz begrenzter Flugzeiten einer Messdrohne beliebig lange Messphasen durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Messdrohne mittels einer Positionsregelung in der vorgebbaren Position gehalten wird. Außerdem oder alternativ wird vorgeschlagen, dass die Messdrohne mittels einer Lageregelung in einer vorgegebenen Lage gehalten wird. Darunter ist besonders zu verstehen, in welche Richtung die Messdrohne ausgerichtet ist, in welche horizontale Richtung die Messdrohne also weist. Eine Lageregelung kann auch die Lage der Messdrohne in einer Ebene betreffen, ob die Messdrohne also zu einer Ebene gekippt ist und falls ja, in welche Richtung und wie stark.
Für die Positionsregelung bzw. die Lageregelung werden ständig Steuergrößen bzw. Stellgrößen erzeugt, wie bspw. der Schub eines Propellers der Messdrohne und die Ausrichtung des Propellers bzw. der Messdrohne. Aus diesen Steuergrößen bzw. Stellgrößen kann auf die Windgeschwindigkeit und Windrichtung und ggf. andere Windwerte zurückgeschlossen werden. Vorzugsweise wird hierüber der wenigstens eine zu erfassende Windwert abgeleitet.
Wird also bspw. die Messdrohne in ihrer Position so gesteuert, dass sie eine Schrägstellung und entsprechende Schubkraft ihrer Propeller in ihrer vorgebaren Position gegen den Wind hält, kann aus der Richtung der Schrägstellung die Windrichtung bestimmt werden. Aus dem Grad der Schrägstellung und der eingestellten Schubkraft kann zudem die Windstärke bzw. Windgeschwindigkeit ermittelt werden. Ggf. kann eine Genauigkeit dadurch verbessert werden, dass weitere Werte wie Lufttemperatur, Niederschlagsart, Niederschlagsmenge, Luftfeuchtigkeit und/oder Luftdruck mit berücksichtigt werden. Dies ist aber nur als anschauliches Beispiel erläutert und es kommen andere Möglichkeiten in Betracht, wie bspw. die Verwendung einer Messdrohne, bei der statt einer Schrägstellung der Messdrohne oder zusätzlich dazu der eine oder die mehrere Propeller schräg gestellt werden und diese Daten Rückschluss auf die Windgeschwindigkeit und Windrichtung erlauben.
Somit kann aus der Positionsregelung und außerdem oder alternativ aus der Lageregelung der wenigstens eine Windwert abgeleitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Messdrohne wenigstens einen Messsensor zum Erfassen eines Windwertes auf, um die Windwerte oder einen Teil davon durch diesen wenigstens einen Messsensor zu erfassen. Da auch der Betrieb der Messdrohne ein solches Messmittel beeinflussen kann, kann ggf. dieser Betrieb der Messdrohne beim Erfassen des wenigstens einen Windwertes durch den Messsensor berücksichtigt werden, um etwaige Verfälschungen heraus zu rechnen.
Vorzugsweise werden wenigstens zwei Messdrohnen zur Erfassung der Windwerte eingesetzt, die sich abwechseln, um ohne Unterbrechung die Windwerte zu erfassen. Dies kommt besonders für die Verwendung von Messdrohnen im Akkubetrieb in Betracht. Hierdurch kann im einfachsten Fall eine Messdrohne in der Luft sein und die Windwerte erfassen und die andere Messdrohne während dessen in einer Ladestation aufgeladen werden.
Vorzugsweise sind mehrere Messdrohnen gleichzeitig im Einsatz, und Erfassen in unterschiedlichen vorgebbaren Positionen die Windwerte. Hier kommt besonders in Betracht, dass mehrere Messdrohnen beabstandet übereinander angeordnet sind, um so Windwerte in unterschiedlichen Höhen erfassen zu können. Dadurch kann besonders ein Höhenprofil des Windes erfasst werden.
Vorzugsweise wird eine Windcharakteristik aufgenommen und hierunter fällt das Aufnehmen eines Windshear, also das Aufnehmen der Veränderung der Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Höhe. Darunter fällt auch das Aufnehmen eines Windveer, nämlich eine Veränderung der Windrichtung in Abhängigkeit der Höhe. Außerdem oder alternativ kann auch Windfeld aufgenommen werden. Es wird hierfür somit nicht nur eine Änderung der Windwerte mit der Höhe, sondern auch in horizontaler Richtung ausgewertet. Besonders kann ein solches Windfeld für das Rotorfeld bzw. einen Bereich davor aufgenommen werden. Dadurch ist besonders eine dezidierte Vermessung der für die betreffende Windenergieanlage relevanten Windverhältnisse möglich.
Vorzugsweise erfolgt die Positionsregelung der Messdrohne mittels eines GPS-datenauswertenden Messsystems. Über die GPS-Daten kann somit die Position der Messdrohne erfasst werden und dadurch eine Positionsregelung der Messdrohne ausgeführt werden. Außerdem oder zusätzlich kann darüber auch eine Veränderung der Position der Messdrohne erfasst und berücksichtigt werden. Außerdem oder ergänzend kann ein GPS-datenauswertendes Messsystem verwendet werden, das durch einen oder mehrere stationäre Referenzempfänger ergänzt ist. Dadurch kann die Genauigkeit mitunter erheblich verbessert werden und dieses System kann als sog. Differential GPS ausgebildet sein bzw. arbeiten. Dieses System ist allgemein bekannt unter dem Namen Differential Global Positioning System DGPS.
Außerdem oder alternativ kann ein System verwendet werden, dass Positionsdaten mittels Ultraschallmessungen erfasst bzw. bereitstellt, also ein Ultraschallmessungen auswertendes Messsystem. Auch die Verwendung eines Messsystems, das Radarmessungen auswertet, kommt hierfür in Betracht. Es ist anzumerken, dass solche Ultraschallmessungen auswertende Messsysteme als auch Radarmessungen auswertende Messsysteme grundsätzlich komplex und teuer sein können, dass die Kosten aber dadurch begrenzt sind, dass diese Messsysteme nur zur gezielten Positionserfassung der wenigstens einen Messdrohne ausgebildet sein müssen. Dies hat besonders Auswirkungen auf Reichweite und Richtungsspektrum des Systems.
Das Erfassen eines Windfeldes oder zumindest eines Höhenprofils kann alternativ oder ergänzend zu der Verwendung mehrerer Messdrohnen auch dadurch erfolgen, dass die Messdrohnen oder zumindest eine Messdrohne ihre Position verändert. Mit anderen Worten kann hier eine Messdrohne das Windfeld oder einen Teil davon abfliegen und dadurch das Windfeld oder den entsprechenden Teil ausmessen.
Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass weitere Wetterinformationen durch die wenigste eine Messdrohne oder anderweitig erfasst werden. Dadurch kann besonders die Messqualität verbessert werden. Zum Einen kann das Erfassen der Windwerte, besonders der Windgeschwindigkeit, von weiteren Wetterinformationen abhängen, nämlich besonders dann, wenn die Windgeschwindigkeit aus Steuergrößen oder Stellgrößen einer Positionsregelung abgeleitet werden. Es kommt aber außerdem oder alternativ in Betracht, weitere Wetterinformationen den Windwerten zu zuordnen oder als Windwerte zu verwenden, um die Datenbasis der erfassten Windwerte zu verbessern. Solche zusätzlich aufgenommenen Wetterinformationen können dann ggf. eine davon abhängige Regelung oder Steuerung der Windenergieanlage verbessern.
Solche weiteren Wetterinformationen können Lufttemperatur, Niederschlagsart, Niederschlagsmenge, Luftfeuchtigkeit, Luftdichte und/oder Luftdruck sein.
Vorzugsweise werden mehrere Messdrohnen in unterschiedlichen Höhen zueinander jeweils durch eine Positionsregelung gehalten und jede der Messdrohne erfasst Windwerte in ihrer Höhe. Diese gemeinesame Positionsregelung der mehreren Messdrohnen erfolgt besonders so, dass diese mehreren Messdrohnen zusammen einen virtuellen Messmast bilden. Diese Messdrohnen nehmen dann also in unterschiedlichen Höhen Messwerte auf, die ansonsten durch einen Messmast aufgenommen werden. Da diese Messdrohnen nicht mechanisch fest, sondern nur durch eine abgestimmte bzw. koordinierte Positionsregelung zueinander positioniert sind, können diese einen virtuellen Messmast bilden bzw. als ein solcher angesehen werden. Vorzugsweise kann hier eine Auswertung wie üblicherweise bei einem Messmast bekannt durchgeführt werden, ohne dass ein Messmast errichtet werden muss.
Vorzugsweise wird diese wenigstens eine Messdrohne, besonders der virtuelle Messmast in Abhängigkeit einer Windrichtung positioniert, insbesondere in luv der Windenergieanlage. Vorzugsweise wird hierbei die wenigstens eine Messdrohne bzw. der virtuelle Messmast bei sich ändernder Windrichtung der Windrichtung nachgeführt, insbesondere so, dass diese wenigstens eine Messdrohne bzw. der virtuelle Messmast im Wesentlichen in luv der Windenergieanlage gehalten wird. Dadurch kann besonders eine Auswertung des Windprofils vor der Windenergieanlage bzw. des Windfeldes vor der Windenergieanlage trotz sich ändernder Windrichtungen durchgeführt werden. Eine Korrekturrechnung, die bei einem Windmast erforderlich sein kann, der dem Wind nicht nachgeführt werden kann, ist hier nicht notwendig.
Es wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Windenergieanlage vorgeschlagen. Hierbei wird die Windenergieanlage in Abhängigkeit wenigstens eines Windwertes betrieben. Dazu wird vorgeschlagen, dass der wenigstens eine Windwert durch wenigstens eine Messdrohne erfasst wird. Die Erfassung erfolgt dabei vorzugsweise so wie gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen des Verfahrens zum Erfassen wenigstens eines Windwertes mittels einer Messdrohne beschrieben wurde.
Dabei kommt besonders in Betracht, dass die entsprechenden Windwerte direkt oder indirekt von der wenigstens einen Messdrohne an die Windenergieanlage übermittelt werden.
Erfindungsgemäß wird auch eine Messdrohne zum Erfassen wenigstens eines Windwertes, besonders einer Windgeschwindigkeit und/oder einer Windrichtung vorgeschlagen. Eine solche Messdrohne umfasst eine Flugsteuerungseinrichtung, die dazu vorbereitet ist, dass die Messdrohne eine vorgebbare Position anfliegt und dort in der vorgebbaren Position gehalten wird. Die Flugsteuerungseinrichtung führt dann also eine Positionsregelung aus. Außerdem oder alternativ kann auch, sobald die Messdrohne etwa ihre vorgebbare Position erreicht hat, ein Verändern der Position der Messdrohne relativ zu der vorgebbaren Position erfasst werden.
Die Flugsteuerungseinrichtung kann dabei besonders eine Positionserfassung und Positionsabweichung, besonders in drei Koordinatenrichtungen, umfassen. Daraus können dann bspw. durch entsprechende Soll-Ist-Wertvergleiche für alle drei Positionsrichtungen Regelfehler bestimmt werden und in einen Regelalgorithmus eingegeben werden, der daraus entsprechende Schubsollwerte für die jeweiligen Richtungen bestimmt. Ein solcher Sollschubwert in vertikaler Richtung ist dabei primär zum Überwinden des Eigengewichts der Messdrohne relevant. Die beiden anderen Sollschubwerte unterschiedlicher, besonders kartesischer Richtungen in der horizontalen Ebene können aber Aufschluss über Windrichtung und Stärke geben, besonders dann, wenn sich schließlich, zumindest kurzzeitig, eine stationäre Genauigkeit für die Positionsregelung ergibt.
Eine Umsetzung für den Sollschub in vertikaler Richtung kann besonders über eine Schubstärke der Propeller umgesetzt werden, besonders über deren Drehzahl. Die beiden übrigen Sollschübe in den Richtungen in der horizontalen Ebene können bspw. durch entsprechende Schrägstellungen der Propeller der Messdrohne erreicht werden, oder eine Schrägstellung der Messdrohne, um nur zwei Beispiele zu nennen.
Gemäß einer Ausführungsform ermittelt die Drohne nicht nur ihre Position in den drei Raumrichtungen, sondern auch oder alternativ ihre Neigung im Sinne einer Drehung um diese Richtungen. Es wurde erkannt, dass diese Neigung ein Maß ist, das mit der Windrichtung und Windstärke korreliert, wenn gleichzeitig die vertikale und die horizontale Position gehalten wird. Dazu wird vorgeschlagen, dass diese Neigung erfasst wird und daraus die Windrichtung und außerdem oder alternativ die Windgeschwindigkeit abgeleitet wird, während die horizontale Position gehalten wird.
Die Flugsteuerungseinrichtung kann außerdem oder alternativ die Veränderung der Position der Messdrohne zu der vorgebbaren Position erfassen. Sofern eine Positionsregelung aktiviert ist, dürften solche Veränderungen als Regelfehler ohnehin Vorhandensein und können ausgewertet werden. Aber auch bei Nichtaktivierung einer solchen Regelung können gleichwohl solche Regelfehler als Abweichungen erfasst werden, ohne davon abhängig die Position der Messdrohne unbedingt zu verändern.
Außerdem umfasst die Messdrohne ein Winderfassungsmittel zum Erfassen des wenigsten einen Windwertes. Dies kann durch die Auswertung der Größen erfolgen, die die Flugsteuerungseinrichtung aufnimmt und besonders zur Positionsregelung verwendet. Außerdem oder alternativ kann aber auch wenigstens ein Messsensor an der Messdrohne vorhanden sein.
Außerdem ist ein Übertragungsmittel zum Übertragen des wenigstens einen erfassten Windwertes an eine Auswerteeinrichtung vorgesehen. Statt des Windwertes oder zusätzlich dazu können auch für die Windwerte repräsentative Werte übertragen werden, wie bspw. Rohdaten die von der Messdrohne erfasst wurden. Die Übertragung kann kabelgebunden oder per Funk erfolgen. Besonders dann, wenn eine Variante gewählt wird, bei der die Messdrohne mittels Schleppkabel mit elektrischem Strom versorgt wird, kann dieses Schleppkabel, bspw. auch ähnlich wie bei einem d-Netz, zusätzlich zur Datenübertragung verwendet werden. Fliegt die Messdrohne frei mit elektrischem Akku, so kommt eine Funkübertragung in Betracht. Sofern Messwerte offline erfasst werden, um schließlich eine Windenergieanlage oder eine Windenergieanlagensteuerung zu konfigurieren, kommt auch in Betracht, erfasste Werte zunächst aufzunehmen und zu speichern und bei einer Landung der Messdrohne dann zu übertragen. Besonders dann, wenn die Messdrohne bei oder auf der Auswerteeinrichtung landet und dort bspw. auch zum Laden ihres Akkus angeschlossen wird.
Vorzugsweise weist die Messdrohne einen oder mehrere elektrisch angetriebene Propeller mit im Wesentlichen vertikaler Drehachse auf. Die Flugsteuerungseinrichtung kann dann dazu vorbereitet sein, wenigstens einen Aktuator zu steuern. Ein solcher Aktuator kann der eine oder die mehreren Propeller sein, besonders kann ein entsprechender Antriebsmotor jedes Propellers dadurch angesteuert werden. Ein Aktuator in diesem Sinne kann auch ein Verstellmittel zum Verstellen der Ausrichtung der vertikalen Drehachse jedes Propellers sein, sofern die verwendete Messdrohne solche verstellbaren Drehachsen aufweist. Durch eine geringe Verstellung dieser vertikalen Drehachse, also bspw. um 5 bis 10 Grad, um nur ein Beispiel zu nennen, kann sich ein entsprechender Vorschub der Messdrohne in Kipprichtung dieser Drehachse ergeben. Bei solcher geringer Schrägstellung ändert sich der Auftriebsschub kaum, kann aber bei Bedarf durch entsprechende Ansteuerung des Propellers bzw. eines Motors angepasst werden.
Außerdem kann ein Aktuator ein Lagesteuermittel zum Steuern einer Lage der Messdrohne sein. Dazu können aerodynamische Elemente wie Leitbleche gehören. Ein Aktuator kann auch ein Richtungssteuermittel zum Steuern einer Flugrichtung der Messdrohne sein. Anschaulich gesprochen kann hier eine Konfiguration wie bei einem Hubschrauber in Betracht kommen, wie bspw. ein Heckrotor. Es kommt aber auch in Betracht, dass die Messdrohne als Quadrocopter ausgestaltet ist und die gesamte Steuerung über die Steuerung der entsprechend vorgesehenen vier Propeller erfolgt.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Messdrohne zu ihrer elektrischen Versorgung einen elektrischen Akku aufweist, um darin benötigte elektrische Energie zu speichern. Dies betrifft besonders die elektrische Energie, die zum Fliegen benötigt wird. Aus dem Akku können aber auch ein Computer gesteuert werden, einschließlich zum Erfassen der Windwerte.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Messdrohne ein Schleppkabel zum Zuführen der elektrischen Energie aufweist. Durch die Verwendung einer solchen Messdrohne zum Ausmessen eines Windprofils oder Windfeldes für eine Windenergieanlage ist der Aktionsradius der Messdrohne recht klar umrissen und damit auch die maximale Kabellänge und damit ist das einzukalkulierende Gewicht dieses Kabels gut bekannt. Die Messdrohne kann also so ausgelegt werden, dass sie auch ein entsprechendes Schleppkabel heben kann. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass eine Messdrohne dauerhaft betrieben werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Messdrohne gekennzeichnet durch einen oder mehrere durch wenigstens einen Verbrennungsmotor angetriebene Propeller mit im Wesentlichen vertikaler Drehachse, wobei die Flugsteuerungseinrichtung dazu vorbereitet ist, wenigstens einen Aktuator zu steuern. Als Aktuator kann auch hier der eine oder die mehreren Propeller, ein Verstellmittel zum Verstellen der Ausrichtung der vertikalen Drehachse jedes Propellers, ein Lagesteuermittel zum Steuern einer Lage der Messdrohne und ein Richtungssteuermittel zum Steuern einer Flugrichtung der Messdrohne verwendet werden. Erläuterungen zum Aktuator, die im Zusammenhang mit dem einen oder den mehreren elektrisch angetriebenen Propellern gemacht wurden, gelten hier sinngemäß auch für die Ausführungsform mit einem oder mehreren Verbrennungsmotoren.
Es kommt somit auch in Betracht, dass die Messdrohne durch einen oder mehrere Verbrennungsmotoren angetrieben wird, dass sie also einen oder mehrere Propeller aufweist, die durch einen oder mehrere Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Dadurch kann sie ebenfalls autark arbeiten. Sie kann dabei im Grunde jegliche Funktionalität aufweisen, die auch im Zusammenhang mit einer elektrisch antreibbaren Messdrohne vorstehend oder nachstehend beschrieben wurde. Die vorstehenden und nachstehenden Beschreibungen zu einer elektrisch antreibbaren Messdrohne, besonders soweit sie einen elektrischen Akku aufweist, gelten sinngemäß auch für die Messdrohne, die durch einen oder mehrere Verbrennungsmotoren angetrieben wird.
Besonders kann auch für eine Variante, die mehre Messdrohnen mit wenigstens einem Verbrenungsmotor verwendet, vorgesehen sein, dass sich zwei oder mehr Messdrohnen derart abwechseln, so dass wenigstens eine Messdrohne fliegt und Messwerte aufnimmt, während wenigstens eine andere Messdrohne in einer Basisstation aufgetankt wird. Hierzu werden sinngemäß dieselben Varianten vorgeschlagen, die auch für die Verwendung akkubetriebener Messdrohnen vorstehend oder nachstehend erläutert wurden. Auch hier kann eine Basistation am Boden oder auf der Gondel einer Windenergieanlage vorgesehen sein.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung wenigstens eines Verbrennungsmotors besteht darin, dass die Messdrohne, und auch das Verfahren zum Erfassen wenigstens eines Windwertes, besonders gut für abgelegene Gebiete geeignet ist, besonders dann, wenn die eine oder die mehreren Windenergieanlagen noch nicht an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossen sind.
In jedem Fall wird vorgeschlagen, dass die Messdrohne im Wesentlichen autonom ihre Position ansteuert und ggf. hält. Ggf. kann ein Benutzer wie Servicepersonal eine neue Position vorgeben. Es ist grundsätzlich aber nicht vorgesehen, dass sich eine Person dauerhaft mit dem Steuern der Messdrohne beschäftigt, sondern die Messdrohne soll besonders durch die erläuterte Positionsregelung autonom Fliegen und autonom ihre Position ggf. den Positionspfad einhalten.
Vorzugsweise ist die Messdrohne dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu vorbereitet ist, in einem Verfahren gemäß wenigstens einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt zu werden. Die Messdrohne ist also dazu vorbereitet sich so zu verhalten, wie im Zusammenhang mit wenigstens einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens zum Erfassen wenigstens eines Windwertes beschrieben wurde.
Außerdem wird erfindungsgemäß eine Messanordnung zum Erfassen wenigstens eines Windwertes mittels mehrerer Messdrohnen vorgeschlagen. Eine solche Messanordnung umfasst mehrere Messdrohnen gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Außerdem umfasst diese Messanordnung eine Basisstation. Diese Basisstation kann zum Versorgen der Messdrohne mit elektrischer Energie vorgesehen sein. Dazu können Schleppkabel der Messdrohnen an der Basisstation angeschlossen sein, wenn die Messdrohnen kabelgebunden arbeiten. Alternativ kann die Basisstation die Versorgung dadurch erreichen, dass sie als Ladestation für die Messdrohnen arbeitet oder eine solche Ladestation steuert.
Außerdem oder alternativ kann die Basisstation die Auswerteeinrichtung bilden und dazu dienen, die erfassten Windwerte aufzunehmen. Dies kann über die Schleppkabel oder per Funk erfolgen, oder offline, wenn die Messdrohnen die Basisstation ansteuern.
Außerdem oder alternativ kann die Basisstation das Koordinieren der Messdrohnen untereinander durchführen. Dazu kann gehören, für die Messdrohnen unterschiedliche Positionen vorzugeben, die sich besonders in ihrer Höhe unterscheiden. Auch für den Fall, dass die Messdrohnen mit Akku betrieben werden und abwechselnd eine Ladestation, nämlich besonders an der Basisstation, ansteuern müssen, kann dieser Wechsel von der Basisstation koordiniert werden.
Besonders kann die Messanordnung insgesamt einen virtuellen Messmast bilden, bei dem die Basisstation die erfassten Daten auswertet und die mehreren Messdrohnen die Messwerte, also Windwerte, in der Art mehrerer über die Höhe verteilter Messaufnehmer aufnimmt.
Die Basisstation kann als Fahrzeug, besonders als Servicewagen, ausgebildet sein. Alternativ kann auch eine Windenergieanlage die Basisstation bilden.
Erfindungsgemäß wird auch eine Windenergieanlage mit einer Gondel und einem Rotor mit einem oder mehreren Rotorblättern zum Erzeugen elektrischer Leistung aus Wind vorgeschlagen. Eine solche Windenergieanlage kann in Abhängigkeit wenigstens eines Windwertes gesteuert werden. Außerdem weist sie ein Datenübertragungsmittel auf, das zum Empfangen von Windwerten wenigstens einer Messdrohne eingerichtet ist. Dies kann auch oder alternativ zu Windwerten repräsentative Werte betreffen. Bspw. kann die Windenergieanlage dazu einen Funkempfänger aufweisen, damit die wenigstens eine Messdrohne die Windwerte per Funk an die Windenergieanlage senden kann. Es kommt aber auch in Betracht, dass die Windenergieanlage mit der einen oder den mehreren Messdrohnen per Schleppkabel verbunden ist, wenn die Messdrohnen solche mit Schleppkabel sind. Dann kann darüber die Datenübertragung erfolgen und außerdem kann die Windenergieanlage darüber die wenigstens eine Messdrohne mit elektrischer Energie versorgen. Natürlich kommt auch in Betracht, dass, was generell gilt, die Messdrohnen trotz Verwendung eines Schleppkabels die Windwerte per Funk übertragen.
Vorzugsweise ist die Windenergieanlage dadurch gekennzeichnet, dass das Datenübertragungsmittel dazu eingerichtet ist, die Windwerte bzw. die dazu repräsentativen Werte von einer Messdrohne gemäß einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform zu empfangen. Damit können die vorteilhaften Eigenschaften einer vorstehend beschriebenen Messdrohne verwendet werden, um eine Windenergieanlage mit entsprechenden Windwerten zu versorgen.
Vorzugsweise kann auch eine Windenergieanlage zusammen mit mehreren Messdrohnen einen virtuellen Messmast bilden. Dazu sind die Messdrohnen mit der Windenergieanlage gekoppelt, so dass die Messdrohne die Windwerte für verschiedene Positionen, besonders verschiedene Höhenpositionen, aufnehmen und zur weiteren Verarbeitung an die Windenergieanlage übertragen.
Vorzugsweise weist die Windenergieanlage eine Ladestation zum elektrischen Laden wenigstens einer Messdrohne auf. Vorzugsweise ist die Ladestation auf der Gondel der Windenergieanlage angeordnet. Dadurch können, je nach Bauart der Windenergieanlage, vergleichsweise kurze Flugdistanzen zwischen Ladestation und den jeweils anzufliegenden Positionen der Messdrohne erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Drohne mit fest verbautem Akku aufgeladen. Bevorzugt wird aber vorgeschlagen, mehrere Akkus zum Tausch vorzuhalten und der Drohne den verbrauchten Akku zu entnehmen, um ihn durch einen frisch geladenen zu ersetzen. Das hat den Vorteil, dass die Ladezeit eines einzelnen Akkus länger sein darf als die Flugzeit der Drohne und man dennoch nur zwei Drohnen, aber mehrere Akkus benötigt.
Außerdem wird ein Windenergiesystem zum Erzeugen elektrischer Leistung aus Wind vorgeschlagen, das wenigstens eine Windenergieanlage gemäß einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst und außerdem wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Messdrohnen aufweist, wie gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform beschrieben wurde. Gemäß einer Ausführungsform ist das Windenergiesystem als Windpark mit mehreren Windenergieanlagen ausgebildet. Außerdem oder alternativ kann vorgesehen sein, mehrere Messdrohnen zu verwenden, insbesondere eine Messanordnung mit mehreren Messdrohnen, wie vorstehend gemäß wenigstens einer entsprechenden Ausführungsform beschrieben wurde. Vorzugsweise wird ein vorstehend beschriebener virtueller Messmast verwendet.
Die Erfindung wird nun nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine Windenergieanlage in einer perspektivischen Darstellung
2 zeigt einen Windpark in einer schematischen Darstellung.
3 zeigt ein exemplarisches Regelschema zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
4–7 zeigen unterschiedliche Konfigurationen eines Windenergiesystems mit einer Windenergieanlage und mehreren Messdrohnen.
1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.
2 zeigt einen Windpark 112 mit beispielhaft drei Windenergieanlagen 100, die gleich oder verschieden sein können. Die drei Windenergieanlagen 100 stehen somit repräsentativ für im Grunde eine beliebige Anzahl von Windenergieanlagen eines Windparks 112. Die Windenergieanlagen 100 stellen ihre Leistung, nämlich insbesondere den erzeugten Strom über ein elektrisches Parknetz 114 bereit. Dabei werden die jeweils erzeugten Ströme bzw. Leistungen der einzelnen Windenergieanlagen 100 aufaddiert und meist ist ein Transformator 116 vorgesehen, der die Spannung im Park hochtransformiert, um dann an dem Einspeisepunkt 118, der auch allgemein als PCC bezeichnet wird, in das Versorgungsnetz 120 einzuspeisen. 2 ist nur eine vereinfachte Darstellung eines Windparks 112, die beispielsweise keine Steuerung zeigt, obwohl natürlich eine Steuerung vorhanden ist. Auch kann beispielsweise das Parknetz 114 anders gestaltet sein, in dem beispielsweise auch ein Transformator am Ausgang jeder Windenergieanlage 100 vorhanden ist, um nur ein anderes Ausführungsbeispiel zu nennen.
3 zeigt eine vereinfachte Regelungsstruktur einer Ausführungsform für eine Positionssteuerung einer Messdrohne einschließlich Auswertung von Steuerwerten der Regelung zur Erfassung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Darin ist die Messdrohne als System 302 enthalten. Im Flugbetrieb ist die Messdrohne 302 praktisch beliebig im Raum positionierbar und ihre Position wird hier durch die Koordinaten x, y und z angegeben. Hierbei kann bspw. die Koordinate x eine Position in Nord-Süd-Richtung angeben, die Koordinate y eine Position in Ost-West-Richtung angeben und die Koordinate z kann eine vertikale Richtung und damit die Höhe der Messdrohne 302 angeben. Diese drei Koordinaten x, y und z bilden entsprechend für die Positionsregelung die Ausgangsgrößen des Systems.
Eine vorgegebene Position kann durch die entsprechenden Sollwerte x_s, y_s und z_s vorgegeben werden. Es erfolgt nun für jede der Koordinaten x, y und z ein Soll-Ist-Wertvergleich an dem Summiergliedern 311, 312 und 313, wobei die Ist-Werte x_i, y_i und z_i mit negativen Vorzeichen eingehen.
Es ergibt sich dann jeweils ein Regelfehler, nämlich e_x, und e_z. Diese Regelfehler gehen dann in den ersten Teilregler 320 ein. Der erste Teilregler 320 weist für jede Koordinate einen einzelnen Schubregler auf, nämlich einen X-Schubregler 321, einen Y-Schubregler 322 und einen Z-Schubregler 323. Jeder dieser drei Schubregler des ersten Teilreglers 320 geben einen einzustellenden Schub, also eine einzustellende Schubkraft in die entsprechende Koordinatenrichtung aus, nämlich die Schübe bzw. Schubkräfte S_x, S_y, und S_z. Der Index gibt jeweils die betreffende Richtung an. Diese drei Schübe S_x, S_y, und S_z können insoweit als Steuergrößen oder Stellgrößen bezeichnet werden. Der Begriff Steuergröße ist hier vorzuziehen, da sie noch keine unmittelbare physikalische Ansteuerung eines Aktuators sind, wie nachfolgend noch deutlich wird.
Zur Umsetzung wird bei diesem exemplarischen System der 3 eine Messdrohne 302 zugrundegelegt, die dadurch gesteuert wird, dass ihre Propeller in der Drehzahl n und in einem Kippen der Drehachse der Propeller in zwei Kipprichtungen gesteuert werden kann, nämlich die Kipprichtungen α und β.
Zur Regelung der vertikalen Position z der Messdrohne 302 kann vereinfachend davon ausgegangen werden, dass dies über eine Einstellung der Drehzahl n erreicht werden kann. Entsprechend ist ein Drehzahlregler 333 vorgesehen. Dieser erhält als Eingang den gewünschten vertikalen Schub S_z und berechnet daraus eine Solldrehzahl n_s.
Für die Positionsregelung in x-Richtung und y-Richtung steht als Stellglied eine Einstellung der vertikalen Achse der Propeller hinsichtlich der beiden Kippwinkel α und β zur Verfügung, wobei diese beiden Kippwinkel α und β in zueinander rechtwinkligen Richtungen verstellt werden können. Diese beiden Kippwinkel α und β sollten zusammen verstellt werden, besonders dann, wenn die Ausrichtung der Messdrohne 302 in Bezug auf die x-Richtung und y-Richtung variieren kann. Daher ist in der beispielhaften Struktur der 3 der Mehrgrößenregler 331 vorgesehen. Dieser berücksichtigt die beiden Schübe S_x und S_y, in x- bzw. y-Richtung gemeinsam und gibt als gemeinsames Ergebnis Sollwerte für die beiden Kippwinkel α und β aus, nämlich die Sollwinkel α_s und β_s. Im Falle einer exakten Ausrichtung der Messdrohne 302 bspw. in Nord-Südrichtung, wenn sich der Kippwinkel α dann genau auf die Nord-Südrichtung bezieht und der Kippwinkel β genau auf die Ost-Westrichtung, käme eine Entkopplung dieses Mehrgrößenreglers 331 in zwei einfache Regler in Betracht, so dass also der vorgesehene Schub in x-Richtung S_x nur den Kippwinkel α unmittelbar verändern würde und der Schub in y-Richtung S_y, nur unmittelbar den Kippwinkel β beeinflussen würde. Da diese Voraussetzung aber üblicherweise nicht gegeben ist, kann durch Berücksichtigung der Ausrichtung der Messdrohne 302, was hier als Lage L gekennzeichnet ist, eine entsprechende Umrechnung in den Mehrgrößenregler 331 erfolgen bzw. berücksichtigt werden. Dazu wird diese Lage L in den Mehrgrößenregler 331 eingegeben.
Der Mehrgrößenregler 331 bildet insoweit zusammen mit dem Drehzahlregler 333 einen zweiten Teilregler 330.
Jedenfalls sind die Ergebnisse dieser vereinfachten und anschaulichen Struktur der 3 des Mehrgrößenreglers 331 und des Drehzahlreglers 333 die Sollwerte α_s und β_s für zwei Kippwinkel der Propeller und die Solldrehzahl n_s für die Drehzahl der Propeller. Diese drei Sollgrößen werden entsprechend in das System 302 eingegeben, sie werden also der Messdrohne 302 zur Umsetzung übergeben bzw. sie werden den entsprechenden Stellgliedern zum Verstellen der Propellerachsen und den Motoren zum Einstellen der Drehzahl übergeben. Diese Stellglieder selbst können natürlich auch jeweils eine Regelungsstruktur als innere Regelkaskade aufweisen.
Für den idealisierten Fall, dass sich die Messdrohne 302 exakt und unbeweglich in ihrer vorgegebenen Position befindet, die nämlich durch die Sollkoordinaten x_s, y_s und z_s vorgegeben ist, läge für diese Positionsregelung eine stationäre Genauigkeit vor und die Regelfehler e_x, e_y und e_z wären somit 0. In dieser Situation lässt sich dann aus den Schüben der drei Koordinatenrichtungen, also S_x, S_y, und S_z Windgeschwindigkeit V_w und Windrichtung R_w ableiten. Hierbei ist natürlich davon auszugehen, es sei denn es ist windstill, dass diese Schüben S_x, S_y, und S_z von 0 verschiedene Werte aufweisen. Entsprechend weist der erste Teilregler 320 in jedem seiner Blöcke einen integralen Anteil auf. Der x-Schubregler 321, der y-Schubregler 322 als auch der z-Schubregler 323 weisen somit jeweils einen integralen oder integral wirkenden Anteil auf.
Zur Berechnung der Windgeschwindigkeit V_w und der Windrichtung R_w erhält der Messerfassungsblock 340 die drei Schubwerte S_x, S_y, und S_z. Um die daraus berechneten Windwerte, nämlich die Windgeschwindigkeit V_w und die Windrichtung L_w den jeweiligen Koordinaten zu zuordnen, in denen sie erfasst wurden, werden diese Koordinaten x, y und z ebenfalls in den Messerfassungsblock 340 eingegeben. Entsprechend können die Windwerte diesen Koordinaten x, y und z zugeordnet werden. Entsprechend gibt der Messerfassungsblock 340 die Windgeschwindigkeit V_w (x, y, z) und die Windrichtung R_w (x, y, z) aus. Diese Windwerte können dann weiter verarbeitet werden und auch unter Berücksichtigung der ihnen zugeordneten Koordinaten zum Erfassen eines Windfeldes verwendet werden. Für die Erfassung eines Windprofils kann es hierbei ausreichend sein, nur die vertikale Koordinate z zu berücksichtigen. Soll das Windfeld, besonders für die gesamte Rotorebene erfasst werden, sind auch die Koordinaten und x und y erforderlich, wobei die Koordinaten x und y in eine Darstellung mit nur einer variierenden horizontalen Koordinate umgerechnet werden könnte.
Aus dem vertikalen Schub S_z kann bspw. auf die Luftdichte geschlossen werden, was als ein Aspekt vorgeschlagen wird.
Zusätzlich oder alternativ zu dieser Regelung gemäß der vereinfachten Regelungsstruktur der 3 kann zumindest die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung aus der Neigung der Messdrohne abgeleitet werden. Bei unbeweglich mit der Messdrohne verbundenen Antriebsrotoren wird die Drehzahl jedes einzelnen Rotors und damit dessen Schub so eingeregelt, dass sich die gewünschte Neigung und Bewegungsrichtung einstellt. Als Nebenbedingung kann die Forderung eingehen, dass die Summe der einzelnen Rotorschübe zum Halten der vertikalen Position genau dem Fluggewicht entspricht, bzw. eine gewünschte Beschleunigung nach oben oder unten hervorruft.
Zur Umsetzung kann die verwendete Software Positionsdaten und den Neigungswinkel ausgeben. Diese Daten können gespeichert und telemetrisch an eine Bodenstation übertragen werden. Die Auswertung kann bspw. an der Bodenstation vorgenommen werden.
4 zeigt schematisch ein Windenergiesystem 1 mit einer Windenergieanlage 100 und mehreren Messdrohnen 2. Die Messdrohnen 2 sind in dieser schematischen Darstellung der 4 bezogen auf den schematisch angedeuteten Wind 4, der hier durch entsprechende Pfeile charakterisiert ist, vor der Windenergieanlage 100, also im Luv der Windenergieanlage 100 angeordnet. Die Messdrohnen 2 sind dabei im Wesentlichen vertikal übereinander angeordnet und bilden dadurch einen virtuellen Messmast 6. Gemäß dieser Variante der 4 ist ein Versorgungskabel 8 vorgesehen, über das die Messdrohnen 2 mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Messdrohnen teilen sich dabei ein gemeinsames Versorgungskabel 8, das auch als Schleppkabel bezeichnet werden kann. Durch die Verwendung dieses gemeinsamen Versorgungskabels 8 kann das Gewicht, dass von den Messdrohnen 2 insgesamt zusätzlich durch das Versorgungskabel 8 getragen werden muss, insgesamt möglichst gering gehalten werden. Die Versorgung erfolgt hier über eine Basisstation 10, die hier als Servicewagen ausgebildet ist. Die Messdrohnen 2 mit dem Versorgungskabel 8 und der Basisstation 10 bilden damit auch eine Messanordnung 12 zum Erfassen wenigstens eines Windwertes mittels der Messdrohnen 2.
Somit kann gemäß dieser Ausführungsform eine Messung von Windwerten in einer gewünschten Position im Bezug auf die Windenergieanlage 100 auf einfache Art und Weise erreicht werden. Insbesondere ist es hiermit möglich auf einfache Art und Weise immer im Luv der Windenergieanlage 100 nicht nur einzelne Windwerte sondern ein Windprofil oder ein Windfeld aufzunehmen. Dies ist für grundsätzlich jede auftretende Windrichtung möglich, indem lediglich die Messdrohnen 2 in die entsprechende Position in luv der Windenergieanlage gesteuert werden müssen. Diese können auf einfache Art und Weise auch dem Wind nachgeführt werden, so dass auch nach einer Änderung der Windrichtung eine Messung in luv erfolgen kann. Gegebenenfalls kann die Basisstation 10, die hier als Servicewagen ausgebildet ist und besonders die elektrische Versorgung der Messdrohnen 2 vornimmt, ebenfalls ihre Position ändern, wenn sich die Windrichtung geändert hat. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der entsprechende Abschnitt des Versorgungskabels 8, besonders der zwischen der Basisstation 10 und der untersten Messdrohne 2, so lang ist, dass die Basisstation 10 nicht oder zumindest nicht bei kleineren Änderungen der Windrichtung in ihrer Position geändert werden muss.
5 zeigt eine Ausgestaltung, bei der ebenfalls mehrere Messdrohnen 2 über ein Versorgungskabel 8 versorgt werden. Die Versorgung erfolgt hier aber über die Windenergieanlage 100, wobei das Versorgungskabel 8 an die Gondel 104 angeschlossen ist beziehungsweise im Bereich der Gondel 104 an eine entsprechende Versorgungseinheit angeschlossen ist.
Auch hier sind diverse Messdrohnen 2 in Bezug auf den Wind 4 vor der Windenergieanlage 100 angeordnet. Grundsätzlich kommt auch in Betracht, eine Messung nicht in luv der Windenergieanlage vorzunehmen, wenn diese benötigt wird.
Jedenfalls kann auch gemäß dieser Ausführungsform gemäß 5 auf einfache Art und Weise mit Messdrohnen 2 ein virtueller Messmast 6 gebildet werden, der Windwerte erfasst und besonders auch ein Höhenprofil des Windes 4 erfassen kann. Für eine Kabelführung des Versorgungskabels 8 sind weitere Messdrohnen 2 vorgesehen, die das Versorgungskabel von der Gondel 104 über den Rotor 106 zu der gewünschten Position führt, in der die Messung erfolgen soll, nämlich in diesem Beispiel im Luv der Windenergieanlage 100. Die Begriffe Versorgungskabel und Schleppkabel können hier synonym verwendet werden.
Aufgenommene Daten, insbesondere Messwerte oder dazu korrespondierende Werte können an die Windenergieanlage 100 oder außerdem oder alternativ an den Servicewagen 11 übertragen werden. Von dem Servicewagen 11 kann insoweit auch eine Koordination der Messdrohnen 2 und besonders auch des virtuellen Messmastes 6 erfolgen. Eine Teilaufgabe einer Basisstation, nämlich die Energieversorgung, kann hier von der Windenergieanlage 100, besonders einer entsprechenden Einrichtung in der Gondel 104 übernommen werden.
Es ist darauf hinzuweisen, dass in dieser detaillierten Beschreibung der Figuren, besonders in der Beschreibung der 4 bis 7 gleiche Bezugszeichen für ähnliche, möglicherweise nicht identische Elemente verwendet werden. Beispielsweise kann sich der Servicewagen 11 zwischen der 4 und der 5 und weiteren Figuren unterscheiden, weil er in einem Fall die elektrische Versorgung der Messdrohnen 2 übernimmt, er in einem anderen Fall aber nicht. Auch die Messdrohnen 2 können in den Ausführungsformen der 4 bis 7 identisch sein, können aber auch abweichen. Beispielsweise könnte vorgesehen sein, das gemäß der Ausführung der 5 die Messdrohnen 2, die vor der Windenergieanlage 100 angeordnet sind, eine andere Auswertefunktionalität aufweisen als die Messdrohnen 2, die im Wesentlichen nur zum Führen des Versorgungskabels 8 vorgesehen sind. Auch können sich die Messdrohnen gegebenenfalls in ihrer Größe unterscheiden. Besonders kann eine Messdrohne 2, die kein Schleppkabel tragen muss gegebenenfalls kleiner ausgestaltet werden als diejenigen Messdrohnen 2, die ein Kabel tragen müssen. Vorzugsweise werden aber gleiche Messdrohnen 2 für jede Position verwendet, um besonders die Handhabung der Messanordnung 12 zu vereinfachen.
Die Messanordnung 12 der 6 und damit auch das Windenergiesystem 1 unterscheidet sich von der Messanordnung 12 beziehungsweise dem Windenergiesystem 1 der 5 im Wesentlichen nur darin, dass eine andere Führung des Versorgungskabels 8 vorgesehen ist, nämlich von der Gondel 104 und von dem Rotor 106 der Windenergieanlage 100 hindurch zu der Position des virtuellen Messmastes 6 vor der Windenergieanlage 100. Ansonsten wird für weitere Erläuterungen auf die Aufführungsform der 5 verwiesen.
7 zeigt schließlich ein Windenergiesystem 1 und damit auch eine Messanordnung 12, bei der die Messdrohnen 2 ohne Versorgungskabel arbeiten. Dazu weist jede Messdrohne 2 einen Akkumulator oder ähnlichen Speicher elektrischer Energie auf. Die Messdrohnen 2 können dann unabhängig voneinander im Raum angeordnet werden. Damit ist aber auch das Bilden eines virtuellen Messmastes 6 möglich. Ein solcher virtueller Messmast 6 wird auch hier gebildet, nämlich in diesem Beispiel aus vier Messdrohnen 2, die exemplarisch ebenfalls bezogen auf den Wind 4 vor der Windenergieanlage 100 positioniert sind. Damit können diese Messdrohnen 2 der 7 die gleichen Aufgaben ausführen, wie auch die Messdrohnen 2 mit Versorgungskabel 8 gemäß den Ausführungsformen der 4 bis 6 können. Allerdings können die Messdrohnen 2 der Ausführungsformen der 4 bis 6 im Grunde beliebig lange in ihre Position fliegen und dadurch dauerhaft Messungen ausführen und die Messergebnisse weiterleiten.
Stattdessen sind für die Messdrohnen 2 zwei Ladestationen 14 vorgesehen. In diesen Ladestationen 14 kann jeweils eine Messdrohne 2, also insgesamt zwei Messdrohnen 2, aufgeladen werden. Ist wenigstens eine Messdrohne 2 aufgeladen, kann ein Austauschvorgang 16 durchgeführt werden, bei dem eine aufgeladene Messdrohne 2 eine der Ladestationen 14 verlässt und die Position einer Messdrohne 2 einnimmt, die dann die Ladestation 14 anfliegen kann und dort aufgeladen werden kann. Eine Koordination kann auch hier von dem Servicewagen 11 aus erfolgen. Die Ladestationen 14 können zusammen mit dem Servicewagen 11 eine Basisstation 10 für die Messdrohnen 2 und damit für die gesamte Messanordnung 12 bilden.
Gemäß einer Variante sind die Ladestationen, wobei im einfachsten Fall auch eine Ladestation reichen könnte, auf der Gondel der Windenergieanlage 100 angeordnet. Dadurch kann unter anderem auch erreicht werden, dass die Ladestationen dadurch vor unbefugtem Zugriff gesichert sind. Die Messdrohnen können dann auch vollständig autark arbeiten und benötigen keine Überwachung.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Lösung vorgesehen sein, bei der die Messdrohnen Akkumulatoren oder ähnliche Speicher elektrischer Energie aufweisen, die zum Laden ausgetauscht werden. Dazu kann eine Reihe mehrerer Akkumulatoren, die auch als Akkus bezeichnet werden können, z. B. fünf oder mehr Akkus, auf einer gleichen Anzahl von Ladestationen geladen werden. Der oder die jeweils vollgeladenen Akkus stehen am Ende der Reihe zum Andocken an eine Drohne bereit. Der verbrauchte Akku wird der Drohne entnommen und am hinteren Ende der Reihe auf eine Ladestation gesetzt und dort geladen. Damit braucht man weniger Drohnen bei gleicher Funktionalität und hat mehr Zeit zum Aufladen, was die Lebensdauer der Akkus verlängert. Eine solche Anordnung kann auch auf der Gondel der Windenergieanlage vorgesehen sein.
Somit wird nun eine Lösung geschaffen, mit der auch aus wechselnden Windrichtungen Windmessungen vor der Windenergieanlage durchgeführt werden können. Die Erfindung vermeidet somit Probleme, die von festen Windmessmasten bekannt sind, in dem kein fest installierter Windmessmast erforderlich ist, sondern im gleichen Abstand in Strömungsrichtung vor der Windenergieanlage eine autonom fliegende Vorrichtung mit automatischer Lage- und Positionsregelung eingesetzt wird. Diese autonom fliegende Vorrichtung wird hier als Messdrohne bezeichnet.
Das Flugobjekt, also die Messdrohne, wird bevorzugt mit elektrisch angetriebenen Propellern mit vertikaler Drehachse ausgerüstet, welche die notwendigen Auftriebe liefern. Diese Messdrohne kann nach dem Prinzip eines Multicopters ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform kann abweichend von der Technik frei fliegender Drohnen für den erfindungsgemäßen Einsatzzweck auf die Mitführung von Batterien bzw. Akkumulatoren als Energiequelle verzichtet werden und stattdessen die Energieversorgung kabelgebunden erfolgen. Die Flughöhe ist dann allerdings vom Gewicht eines solchen Kabels, nämlich Versorgungskabels, begrenzt, während die Flugdauer hierbei unbegrenzt sein kann.
Alternativ können auch akkumulatorbetriebene Flugobjekte, also besonders Messdrohnen mit Akkumulator eingesetzt werden. Wegen der begrenzten Flugdauer kann eine zyklische Ablösung des Flugobjekts durch ein anderes, frisch geladenes Objekt erfolgen. In diese Fall fliegt das ablösende Objekt, also die Messdrohne, von einer am Boden oder auf der Gondel angebrachten Ladestation, wie der Ladestation 14, zur Position des abzulösenden Objekts, während das abzulösende Objekt zur Ladestation zurück fliegt. Die hier beschriebenen Flugobjekte werden auch als Messdrohnen bezeichnet und diese Begriffe können insoweit synonym verwendet werden. Sind die Ladezeiten größer als die Flugzeiten, wird vorgeschlagen, entsprechend mehr Ladestationen und Objekte pro Objektposition anzuordnen, um den zeitlich lückenlosen Betrieb möglichst aufrecht zu erhalten.
Zur Lageregelung werden herkömmliche Systeme vorgeschlagen, wie bspw. Kreiselgeräte, einschließlich elektronischer Kreiselgeräte, und optische Systeme oder Kombinationen davon.
Die Positionsregelung soll das Objekt starr auf einer vorgegebenen Position und Höhe halten, wobei die Position noch geändert werden kann. Hierzu kommen GPS-basierte Systeme und zur Höhenmessung und evtl. Ultraschall- und Radareinrichtungen zum Einsatz. Die Genauigkeit GPS-basierter System kann durch Einsatz stationärer Referenzempfänger auf oder nahe der Windenergieanlage erheblich verbessert werden. Es ist auch unter dem Begriff Differential GPS bekannt.
Da die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit die primär erforderlichen Messgrößen sind, kann man die vom Flugregler zur Positionshaltung errechneten Steuergrößen direkt als Messsignal verwenden. Alternativ oder zusätzlich könnte das Flugobjekt auch herkömmliche Messaufnehmer tragen.
Besonders wird vorgeschlagen, mehrere dieser Objekte, also dieser Flugobjekte, auf einer geometrischen Position, aber in unterschiedlichen Höhen zu stationieren und so einen virtuellen Windmessmast zu bilden, nämlich besonders einen in den 4 bis 7 dargestellten virtuellen Windmessmast 6.
Erfolgt eine Windnachführung der Windenergieanlage, wenn sich also der Wind in seiner Richtung ändert, kann eine solche Säule aus fliegenden Objekten, die den genannten virtuellen Windmessmast bilden können, in eine entsprechend neue Position überführt werden, insbesondere in die dann neue Position in luv der Windenergieanlage.
Nachteilig bei einer solchen Nachführung könnte hier die ebenfalls nachzuführende kabelgebundene Energieversorgung sein. Dies kann durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vermieden werden, in der die Energieversorgung der Flugobjekte, also der Messdrohnen 2, von der Gondel aus erfolgt. 5 und 6 zeigen eine solche Variante, bei der die Kabel um den Rotor herumgeführt werden. Das kann bspw. oberhalb oder unterhalb des Rotors, also unterhalb des Rotordurchmessers bzw. unterhalb der Rotorfläche erfolgen.
Eine zyklische Ablösung akkubetriebener Flugobjekte, also akkubetriebener Messdrohnen vermeidet die Nachteile des Kabelbetriebs insgesamt, erfordert aber ggf. eine höhere Anzahl von Flugobjekten und zusätzliche Ladestationen mit entsprechend höheren Kosten. Eine solche zyklische Ablösung ist beispielhaft in der 7 beschrieben.
Die Erfindung wurde besonders zur Vermessung für die Verwendung von Windenergieanlagen beschrieben. Aber auch andere Messaufgaben in der Atmosphäre, bei denen es um Strömungen im Bereich von 0 bis 300 Metern über Grund geht, und die zwingend stationär sein müssen, können dadurch ggf. ausgeführt werden.
Besonders ist aber vorgesehen, die Erfindung als einen Ersatz für stationäre Windmessmasten zu verwenden.
Somit wird besonders vorgeschlagen, eine Anordnung fliegender Plattformen, also sog. Flugobjekte bzw. Messdrohnen, auf feststehenden Positionen, besonders nämlich vorgebbaren Positionen, zu Messzwecken anzuordnen. Vorteilhaft ist es, mehrere solcher Plattformen zu virtuellen Windmessmasten zu kombinieren. Durch eine kabelgebundene Energieversorgung ist eine unbegrenzte Flugzeit zumindest theoretisch erreichbar. Eine Energieversorgung kann hierbei vom Boden aus oder von einer Gondel einer Windenergieanlage aus erfolgen. Positionsregelsignale oder Lageregelsignale können als Messwert verwendet werden. Besonders bevorzugt erfolgt eine telemetrische drahtlose Datenübertragung an eine Zentralstation. Eine solche Zentralstation kann Teil einer beschriebenen Basisstation sein. Eine Auswertung der übertragenen Daten kann allerdings auch stattdessen oder zusätzlich an anderen Stellen erfolgen, wie in einem Prozessrechner einer Windenergieanlage oder in einem Parkregler in einem Windpark in einer zentralen Auswerteeinheit, die nicht unmittelbar in der Nähe der Messdrohnen bzw. der genannten fliegenden Plattformen sein muss. Es wird darauf hingewiesen, dass hier der Begriff fliegender Plattformen verwendet wird, um zu unterstreichen, dass es bei solchen fliegenden Plattformen darauf ankommt, dass diese nicht zum Selbstzweck fliegen, sondern dabei besonders Messaufgaben ausführen und insoweit eine Plattform zum Ausführen dieser Messaufgaben bilden.

Claims

Verfahren zum Erfassen wenigstens eines Windwertes, wobei der Windwert mittels wenigstens einer Messdrohne (2) erfasst wird, und die Messdrohne (2) – zum Erfassen des Windwertes in eine vorgebbare Position fliegt, – in der vorgebbaren Position durch eine Positionsregelung gehalten wird oder ihre Veränderung zu der vorgebbaren Position erfasst wird, – den wenigstens einen Windwert erfasst und – den wenigstens einen erfassten Windwert oder wenigstens einen dafür repräsentativen Wert an eine Auswerteeinrichtung (10) überträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als der wenigstens eine Windmesswert wenigstens ein Wert ausgewählt wird aus der Liste aufweisend: – eine Windgeschwindigkeit, – eine Windrichtung und – eine Böigkeit des Windes.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdrohne – mittels einer Positionsregelung in der vorgebbaren Position gehalten wird und/oder – mittels einer Lageregelung in einer vorgegebenen Lage gehalten wird, und dass – aus der Positionsregelung oder der Lageregelung oder aus beidem der wenigstens eine Windwert abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdrohne (2) wenigstens einen Messsensor zum Erfassen eines Windwertes aufweist und die Windwerte oder einen Teil davon durch diesen wenigstens einen Messsensor erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens zwei Messdrohnen (2) bei der Erfassung der Windwerte abwechseln, um ohne Unterbrechung die Windwerte zu erfassen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messdrohnen (2) gleichzeitig verwendet werden und in unterschiedlichen vorgebbaren Positionen die Windwerte erfassen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Windcharakteristik aufgenommen wird, ausgewählt aus der Liste aufweisend: – wenigstens ein Windshear, – wenigstens ein Windveer und – ein Windfeld.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsregelung der Messdrohne (2) mittels wenigstens eines Messsystems erfolgt, ausgewählt aus der Liste aufweisend – ein GPS-Daten auswertendes Messsystem, – ein GPS-Daten auswertendes durch einen oder mehrere stationäre Referenzempfänger ergänztes Messsystem, – ein Ultraschallmessungen auswertendes Messsystem und –ein Radarmessungen auswertendes Messsystem.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Wetterinformationen durch die wenigstens eine Messdrohne oder anderweitig erfasst werden, und die weiteren Wetterinformationen betreffen wenigstens eine Wetterinformation ausgewählt aus der Liste aufweisend – Lufttemperatur, – Niederschlagsart, – Niederschlagsmenge, – Luftfeuchtigkeit, – Luftdichte und – Luftdruck.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messdrohnen (2) in unterschiedlichen Höhen zueinander jeweils durch eine Positionsregelung gehalten werden und jede der Messdrohnen (2) Windwerte ihrer Höhe erfasst, insbesondere so, dass die mehreren Messdrohnen (2) zusammen einen virtuellen Messmast (6) bilden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messdrohne (2) in Abhängigkeit einer Windrichtung positioniert wird, insbesondere in luv der Windenergieanlage (100).
Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Windenergieanlage (100), wobei die Windenergieanlage (100) in Abhängigkeit wenigstens eines Windwertes betrieben wird und der wenigstens eine Windwert durch wenigstens eine Messdrohne (2) erfasst wird, insbesondere, dass der wenigstens eine Windwert mittels einer Messdrohne (2) durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche erfasst wird.
Messdrohne (2) zum Erfassen wenigstens eines Windwertes, und die Messdrohne (2) umfasst – eine Flugsteuerungseinrichtung dazu vorbereitet, dass die Messdrohne (2) – eine vorgebbare Position anfliegt und dort in der vorgebbaren Position gehalten wird und/oder dass Veränderung der Position der Messdrohne (2) zu der vorgebbaren Position erfasst wird, – ein Winderfassungsmittel zum Erfassen des wenigstens einen Windwertes, und – ein Übertragungsmittel zum Übertragen des wenigstens einen erfassten Windwertes oder wenigstens eines dafür repräsentativen Werts an eine Auswerteeinrichtung (10).
Messdrohne (2) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen oder mehrere elektrisch angetriebene Propeller mit im wesentlichen vertikaler Drehachse, wobei die Flugsteuerungseinrichtung dazu vorbereitet ist, wenigstens einen Aktuator zu steuern, der ausgewählt ist aus der Liste aufweisend: – den einen oder die mehreren Propeller, – ein Verstellmittel zum Verstellen der Ausrichtung der vertikalen Drehachse jedes Propellers, – ein Lagesteuermittel zum Steuern einer Lage der Messdrohne und – ein Richtungssteuermittel zum Steuern einer Flugrichtung der Messdrohne.
Messdrohne (2) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdrohne zu ihrer elektrischen Versorgung – einen elektrischen Akku aufweist, zum Speichern benötigter elektrischer Energie oder – ein Schleppkabel (8) zum Zuführen elektrischer Energie.
Messdrohne (2) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen oder mehrere durch wenigstens einen Verbrennungsmotor angetriebene Propeller mit im Wesentlichen vertikaler Drehachse, wobei die Flugsteuerungseinrichtung dazu vorbereitet ist, wenigstens einen Aktuator zu steuern, der ausgewählt ist aus der Liste aufweisend: – den einen oder die mehreren Propeller, – ein Verstellmittel zum Verstellen der Ausrichtung der vertikalen Drehachse jedes Propellers, – ein Lagesteuermittel zum Steuern einer Lage der Messdrohne und – ein Richtungssteuermittel zum Steuern einer Flugrichtung der Messdrohne.
Messdrohne (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu vorbereitet ist, in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als dort beschriebene Messdrohne (2) eingesetzt zu werden.
Messanordnung zum Erfassen wenigstens eines Windwertes mittels mehrerer Messdrohnen (2), und die Anordnung umfasst – mehrere Messdrohnen (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, und – eine Basisstation (10) zum Ausführen wenigstens eine Funktion aus der Liste aufweisend die Funktionen – Versorgen der Messdrohnen (2) mit elektrischer Energie, – Aufnehmen erfasster Windwerte und – Koordinieren der Messdrohnen (2) untereinander.
Windenergieanlage (100) mit einer Gondel (104) und einem Rotor (106) mit Rotorblättern (108) zum Erzeugen elektrischer Leistung aus Wind, wobei – die Windenergieanlage (100) in Abhängigkeit wenigstens eines Windwertes gesteuert werden kann und – ein Datenübertragungsmittel aufweist, eingerichtet zum Empfangen von Windwerten bzw. dazu repräsentativer Werte, die von wenigstens einer Messdrohne (2) erfasst und übertragenen werden.
Windenergieanlage (100) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenübertragungsmittel dazu eingerichtet ist, die Windwerte bzw. die dazu repräsentativen Werte von einer Messdrohne (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 16 zu empfangen.
Windenergieanlage (100) nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladestation (14) zum elektrischen Laden wenigstens einer Messdrohne (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 16 vorgesehen ist, wobei die Ladestation (14) vorzugsweise auf der Gondel (104) der Windenergieanlage (100) angeordnet ist.
Windenergiesystem (1), insbesondere Windpark (112), zum Erzeugen elektrischer Leistung aus Wind, umfassend – wenigstens eine Windenergieanlage (100) nach einem der Ansprüche 19 bis 21 und – eine Messdrohne (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 17.