本发明涉及一种用于确定风能设备的方位角的方法。此外，本发明涉及一种风能设备，其具有塔、吊舱和转子。
背景技术：
在风能设施中、尤其在其安装和投入运行时以及在确定样机系列尺寸中测定风能设备的方位角是重要的。风能设备的方位角也称作为“设备视向”并且以度数或角度值说明风能设备的整流罩或转子毂所指着的方位。为了确定方位角，在风能设备投入运行时通常远距离地经由罗盘测向来对风能设备、通常转子毂或整流罩的方位测向，并且据此导出方位角。
在本申请的优先权申请中，德国专利和商标局检索到以下现有技术：de202007008066u1，ep2333316a2和kr1020140054680a。
技术实现要素：
本发明的目的是：改进在测定方位角时的精度。
根据本发明的第一方面，所述目的通过用于确定风能设备的方位角的方法来实现，其具有如下步骤：将至少两个gnss接收器安置在风能设备的吊舱上，将gnss接收器的接收信号进行比较，从比较结果中导出方位角。还提出：将至少两个gnss接收器安置在测风承载支架上、尤其安置在风测量设备上。
此外，本发明基于如下知识：通过如下方式能够提高在确定风能设备的方位角时的精度：即从所述风能设备起、尤其从吊舱起执行用于确定方位角的方法，而不如常规的那样，从远处对风能设备测向。此外，这也适用于根据如下文深入描述的第二方面的解决方案。通过将至少两个gnss接收器或如下文深入描述的那样将瞄准望远镜安置在风能设备的吊舱上，和基于gnss接收器的接收信号或基于借助于瞄准望远镜执行的测向确定方位角，能够提高精度，因为gnss接收器或瞄准望远镜在风能设备的吊舱上的位置是已知的。借助根据本发明的方法，不仅在安装和投入运行时并且例如在确定样机系列尺寸中能够更精确地确定方位角，而且例如在现有的风能设备中也可以用于校正或再校准方位角。
尤其在优化样机的功率曲线时，精确地确定风能设备的方位角是重要的。将风向校正特征曲线设计成，使得“设备视向”尽可能直接地面向风，因为在风能设备偏斜迎流的情况下从风中会提取较少功率。在风能设备中通常在设置在吊舱上的测风承载支架上测定关于风特性的数据，更确切地说通常经由风速计和风向仪测定关于风速和/或风向的数据。尤其是，为了风向传感器或风向仪不提供关于风向的错误数据，风向传感器或风向仪通常在吊舱上定向成，使得风向传感器精确地指着设备视向，即风能设备的设备视向直接面向风。然而，这只有当风能设备的转子不转动时才适用。在风能设备运行时，通过转子叶片置于涡旋中的空气流动引起：在风向传感器或风向仪之前出现流动的影响，并且因此风向传感器或风向仪没有测量到真实风向。该影响的强度还取决于有效(gefahrenen)的尖速比。为了补偿该影响，在优化功率曲线时，通常在样机上优化功率曲线时，测定校正函数，所述校正函数又将风能设备直接面向风。在此情况下，在测风塔处测定的风向用作为基准。基准风向和设备视向(方位角)之间的差得出校正函数的值。所述风向校正函数存储在风能设备控制装置中并且是尖速比的函数。风向校正函数的目标是：为整个批次的风能设备，优化功率曲线和千瓦时为单位的产出。风向校正函数的测定通常在风能设备的样机的测试阶段中进行。为了确定风向校正函数，在测风塔处测量的基准风向和方位角这两者必须是尽可能精确的。尤其方位角、即风能设备的设备视向必须可能精确地对应于风能设备的真实定向。通过可改进风能设备相对于风的定向的方式，风能设备的方位角的精度的提高能够有助于改进风向校正函数，和进而也提高风产率。随后风向校正函数在一个批次的风能设备的批次控制中执行。
在风能设备制造商处，通常使用风测量设备，所述风测量设备是风速计和风向仪构成的组合，但是所述风速计和风向仪通常简称为风速计(尽管其也具有风向仪的功能)。
也与风向校正函数无关地，精确地确定风能设备的方位角具有重要意义，例如在风能设备的扇形调节时。例如，根据扇区，风能设备能够以不同的运行参数运行。当风从特定的扇区中吹动时，例如能够以降低声音的方式运行风能设备，以便保护居民。此外，在风电场中，能够根据风向对定位在上游的风能设备以受节制的方式运转，由此主要降低湍流和进而降低设备负荷，以便使定位在下游的风能设备“可见更少的湍流”。因此，更精确地确定方位角随之带来各种的优点。
简称gnss代表全球导航卫星系统或者globalnavigationsatellitesystem并且是现有的和未来的全球卫星系统的集合术语，所述全球卫星系统例如是gps(globalpositioningsystem全球定位系统)、glonass(globalnavigationsatellitesystem全球导航卫星系统)、伽利略或北斗或以及改进位置精度的各种(卫星辅助的)补充或附加系统，即例如dgps(differentialglobalpositioningsystem差分全球定位系统)、rtkgps(realtimekinematicsglobalpositioningsystem实时运动全球定位系统)或星基增强系统(sbas)。其中，也将区域导航卫星系统(regionalnavigationsatellitesystem,rnss)理解为共同由术语gnss所包括。尤其是，借助系统，如dgps/rtkgps能够同时将两个接收器之间的相对位置精确地确定到几厘米。
通过至少两个gnss接收器的接收信号的比较，能够从比较结构中导出风能设备的方位角。尤其是，优选的是：这两个gnss接收器以彼此间已知的、预设的间距安置在吊舱上，其中大于20cm、尤其大于50cm、优选至少1m或至少2m的间距是优选的。
至少两个gnss接收器的接收信号提供关于至少两个gnss接收器的相应的位置的精确的数据。从这两个不同的接收信号中能够确定gnss接收器的两个位置之间的角度，并进而确定风能设备的方位角。
优选地，也能够设有三个或更多个gnss接收器，所述gnss接收器能够提高方法的可靠性和/或测量精度。至少两个、三个或更多个gnss接收器优选临时地和/或能脱开地安置在吊舱上，然而替选地也能够永久地和/或不可脱开地安置在吊舱上。至少两个gnss能够作为单独的元件彼此分开地安置在风能设备的吊舱上。
接收信号的比较和从比较结果中导出方位角例如能够如下进行。从两个接收器彼此间的间距和不同的接收信号的相移中能够确定接收器-连接轴线相对于卫星的角度。经由卫星的星历表因此也能够确定gnss接收器之间的连接轴线相对于北向的定向。因此，经由将gnss接收器以已知的方式设置在风能设备的吊舱上和进而经由在风能设备上gnss接收器之间的连接轴线的已知的位置也能够确定风能设备的方位角。以该方式能够实现十分之一至百分之一度范围中的测量精度。优选的是：借助该方法出现最大+/-2°、优选最大+/-1°的真实方位角的偏差。
优选地，两个gnss接收器在吊舱上定向成，使得两个gnss接收器的连接轴线平行于设备视向定向或与设备视向相同地定向。
优选地，至少两个gnss接收器借助于固持件安置在测风承载支架上，尤其安置在风测量设备上。还优选的是，固持件构成用于：能脱开地容纳用于对测风承载支架、尤其风测量设备定向的定向设备，尤其激光设备。还优选的是：在确定方位角之后拆卸至少两个gnss接收器。
根据一个优选的改进形式提出：至少两个gnss接收器是安置在吊舱上的位置测定设备的、尤其gnss罗盘的一部分。优选的是：至少两个gnss接收器在结构上集成在位置测定设备中并且作为所述位置测定设备的一部分安置在吊舱上。
位置测定设备例如能够构成为杆、优选构成为可伸缩的杆。至少两个gnss接收器优选能够设置在杆的两个端部处。
然而优选地，位置测定设备构成为gnss罗盘，所述gnss罗盘也称作为gps罗盘或卫星罗盘。尤其将如下设备称作为gnss罗盘，所述设备包括至少两个gnss接收器，所述gnss接收器能够接收接收信号且从其中能够确定接收器连接轴线或gnss罗盘的另一基准轴线的定向、尤其相对于北向的定向。
尤其优选的是：在位置测定设备中、尤其在gnss罗盘中执行gnss接收器的接收信号的比较。还优选的是：在位置测定设备中、尤其在gnss罗盘中执行方位角的导出。gnss罗盘能够包括评估单元和/或能够与其(有线连接地和/或无线地)连接。
将至少两个gnss接收器集成在位置测定设备中、尤其集成在gnss罗盘中以及优选也将gnss接收器的接收信号进行比较和/或在位置测定设备中、尤其在gnss罗盘中导出方位角具有的优点是：仅必须将唯一的整体的结构单元安置在风能设备的吊舱上，所述结构单元可能必须(在信号方面)联接或读出。因此，相对于至少两个、可能三个或更多个gnss接收器单独地进行安置，将gnss接收器集成在位置测定设备中显著地减轻和简化该方法和可能还有信号的评估。方法的可靠性也能够以该方式提高并且降低易受故障干扰性。此外，例如也能够在需要时通过位置测定设备中进行中央软件更新简单地且可靠地执行对用于在位置测定设备中导出方位角的计算步骤或算法的改变或改进。
根据本发明的第二方面，开始提出的目的通过一种用于确定风能设备的方位角的方法来实现，所述方法具有如下步骤：将瞄准望远镜安置在风能设备的吊舱上，借助瞄准望远镜以测向角对测向物体测向，从测向角与测向物体和/或风能设备、尤其瞄准望远镜的真实坐标的比较中导出方位角。还提出：瞄准望远镜安置在测风承载支架上、尤其安置在风测量设备上。
如上面描述的那样，该方法的该变型形式同样基于如下知识：即通过如下方式能够提高精度：从风能设备起、尤其从吊舱起执行该方法。在该方法的该变型形式中，瞄准望远镜优选临时地和/或能脱开地安装在吊舱上并且借助瞄准望远镜对测向物体测向。优选地，已知测向物体的真实坐标或者事先已经测得或者以不同的方式测定。设备定向和瞄准望远镜-测向物体的延长线之间的角度是测向角。从该测向角和测向物体的真实坐标以及风能设备的真实坐标、即风能设备的驻地、尤其瞄准望远镜的真实坐标中能够导出风能设备的方位角。风能设备之间的直线或瞄准望远镜的位置和测向物体和北极轴线之间的测向角度例如能够借助于矢量计算测定。
当要使用该方法以校正风能设备的方位角时，导出方位角的步骤也能够如下执行和/或修改。测向角能够与设备的现有的、要校正的方位角相加或相减，并且从中得出的角度能够称作为角度a。设备定向和北极轴线之间的从风能设备或瞄准望远镜和测向物体的真实坐标中得出的或算出的角度称作为角度b。从这两个角度a和b的差中得出风能设备的方位角的所谓的偏移，以便修正风能设备的现有的方位角。
根据本发明的第三方面，开始提出的目的通过用于确定风能设备的方位角的方法来实现，所述方法具有如下步骤：将gnss接收器安置在风能设备的吊舱上，将风能设备的吊舱围绕吊舱的自身轴线转动，并且将不同的转动位置的gnss接收器的接收信号进行比较，从比较结果中导出方位角。还提出：至少一个gnss接收器安置在测风承载支架上、尤其安置在风测量设备上。
如两个第一方面那样，该方法的该变型形式也同样基于如下知识：即通过如下方式能够提高精度：从风能设备起、尤其从吊舱起执行该方法。在该方法的该变型形式中，仅需要一个gnss接收器(然而也能够使用两个、三个或更多个)。为了测定方位角，吊舱与gnss接收器一起转动，优选围绕竖直的轴线转动并且还优选转动完整的360度，所述gnss接收器安装在吊舱上、优选安置在相对于中轴线和转动点已知的且固定的位置处。在吊舱的该转动期间，gnss接收器优选连续地、然而至少以时间或角度间隔接收接收信号，从所述接收信号中能够导出坐标。通过将在不同的转动位置处获得的该数据进行比较能够测定方位角。
尤其优选的是：gnss接收器安置在吊舱在吊舱的基本上水平的纵轴线上的转动点之外，并且导出方位角包括根据如下坐标中的最北坐标定向吊舱，坐标从gnss接收器的在该转动期间接收的接收信号中测定。以该方式能够实现将设备视向向北方特别简单的定向。
根据另一优选的改进形式，该方法、尤其根据第一和/或第二和/或第三方面的方法通过如下方式改进：至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器，和/或瞄准望远镜安置在测风承载支架上、尤其安置在风测量设备上。
至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜能够替选于或除了在风能设备的吊舱上的安置之外安置在测风承载支架上、尤其安置在风测量设备上。风测量设备通常设置在风能设备的吊舱上，例如设置在测风承载支架上。安置在风能设备的吊舱上包括安置在测风承载支架上。安置在风能设备的吊舱上因此还包括安置在风测量设备上，所述风测量设备通常设置在吊舱上的测风承载支架上。风测量设备例如能够是用于确定风速的风速计或用于确定风向的风向仪或风向传感器。优选地，尤其使用超声风速计和/或超声风向仪。
根据方法的一个优选的改进形式提出：至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜借助于固持件安置在测风承载支架上、尤其安置在风测量设备上。还优选的是：固持件构成用于：能脱开地容纳用于定向风测量设备的定向设备、尤其激光设备。
定向设备例如能够是激光设备。例如能够提出：风测量设备相对于吊舱的定向借助于定向设备进行，所述定向设备可脱开地借助于固持件固定在风测量设备上。因此特别有利的是：能够使用同一或相同的固持件，以优选同样能脱开地将至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜安置在风测量设备上。以该方式，一方面能够再次使用该固持件，另一方面能够选择借助该固持件进行简单的且保护风测量设备的安置。
根据一个尤其有利的构造形式优选的是：在确定方位角之后拆卸至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜。
在该改进形式中提出：至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜仅临时地和/或能脱开地安装在吊舱上、尤其安装在风测量设备上。这具有多种优点。一方面，这是成本特别适宜的变型形式，因为至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜能够用于多个风能设备，所述风能设备的方位角依次确定或测定，并且所述风能设备因此不必在风能设备的使用寿命期间保留在其上。即使在风能设备的使用寿命期间要需要对方位角进行检查和/或校正，为了该检查或校正能够将至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜(再次)安置在吊舱上、尤其风测量设备上，并且执行(重新)方位角的测定。此外，通常仅对于样机和/或一个风能设备批次的少量个别风能设备而不是对整个批次需要为风向校正函数确定方位角。
替选地，也能够提出将至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜永久地和/或不可脱开地安装在吊舱上，尤其风测量设备上。
根据另一方面，开始提出的目的通过一种风能设备来实现，其具有塔、吊舱和转子，其特征在于，在吊舱上、即在测风承载支架、尤其风测量设备上设置至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或用于测定方位角的瞄准望远镜。
根据本发明的风能设备和其可行的改进形式具有如下特征，所述特征尤其使所述风能设备适合于：执行根据不同方面和其不同改进形式的根据本发明的之前描述的方法。
关于风能设备和其可行的改进形式的优点、实施变型形式和实施细节参考之前对相应的方法特征的描述。
根据另一方面，开始提出的目的通过至少一个gnss接收器、优选至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备和/或瞄准望远镜在风能设备上的应用来实现，以测定在测风承载支架、尤其风测量设备处的方位角。
关于其他方面和其可行的改进形式的优点、实施变型形式和实施细节同样参考之前针对相应的方法特征的描述。
附图说明
示例性地根据所附附图描述本发明的优选的实施方式。在附图中：
图1示出根据本发明的风能设备的示例性的实施方式；
图2示出根据本发明的方法的示例性的实施方式；
图3a示出根据本发明的方法的另一示例性的实施方式；
图3b示出根据本发明的方法的第三示例性的实施方式；
图4示出风能设备的吊舱连带安置在其上的位置测定设备的示意图；
图5示出位置测定设备的第一示例性的实施方式的俯视图；
图6示出位置测定设备的第二示例性的实施方式的侧视图；
图7示出超声风测量设备的三维图；
图8示出用于与风测量设备、尤其与根据图7的风测量设备一起应用的固持件的三维图；
图9示出根据按照图3的方法的测向过程的示意图；
图10示出测向过程的另一示意图，和
图11示出测风承载支架连带设置在其上的超声风测量设备以及设置在其上的固持件连带定向设备的三维图，和
图12示出另一实施方式的测风承载支架连带设置在其上的超声风测量设备的三维图。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有转子106，所述转子具有整流罩110和三个转子叶片108。转子106在运行时通过风置于旋转运动中并且从而驱动吊舱104中的发电机。
整流罩110所定向的方位称作为风能设备100的方位角或视向。为了将吊舱104和利用其将转子106尽可能始终迎着风向定向，即整流罩110和由此设备视向直接面向风，通常将测风承载支架160(参见图11)设置在吊舱104上，在所述测风承载支架上设置有具有四个臂171的超声风测量设备170(参见图7和图11)，所述超声风测量设备在此构成为组合的风速计和风向仪。
为了提高在确定方位角时的精度，例如根据图2和/或图3的方法是优选的，其中所述方位角对于测定风向校正函数和对于扇形调节(abregelung)风能设备100是重要的。
根据图2，用于确定风能设备的方位角的示例性的方法包括：步骤201：将至少两个gnss接收器安置在风能设备的吊舱上，步骤202：将gnss接收器的接收信号进行比较，步骤203：从比较结果中导出方位角，以及优选的可选的步骤204：在确定方位角之后拆卸至少两个gnss接收器。
根据图3a，用于确定风能设备的方位角的示例性的方法包括：步骤211：将瞄准望远镜安置在风能设备的吊舱上，步骤212：借助瞄准望远镜以测向角对测向物体测方位，步骤213：从测向角与测向物体和/或风能设备、尤其瞄准望远镜的真实坐标的比较中导出方位角，以及优选可选的步骤214：在确定方位角之后拆卸瞄准望远镜。
根据图3b，用于确定风能设备的方位角的示例性的方法包括：步骤221：将gnss接收器安置在风能设备的吊舱上，步骤222：将风能设备的吊舱围绕吊舱自身的轴线转动，并且比较不同的转动位置的gnss接收器的接收信号，和步骤223：从比较结果中导出方位角，其中优选地gnss接收器安置在吊舱在吊舱的基本上水平的纵轴线上的转动点之外，并且导出方位角包括：根据如下坐标中的最北坐标定向吊舱，所述坐标已从gnss接收器的在转动期间接收的接收信号中测定。
图9详细阐述图3中用212表示的测向步骤。在图9中示意地示出：将瞄准望远镜700可脱开地设置在下面详细描述的固持件600上，借助所述瞄准望远镜对遥远地定位的测向物体、在此为另一风能设备710以测向角α进行测方位。
图10示出风能设备100相对于测向物体p的测向过程。瞄准望远镜在图10中未示出。设备定向和瞄准望远镜-测向物体的延长线之间的角度是测向角β。从所述测向角β和测向物体的真实坐标以及风能设备的真实坐标、即风能设备的驻地、尤其瞄准望远镜的真实坐标中能够导出风能设备的方位角。
当要使用该方法以校正风能设备的方位角时，导出方位角的步骤也能够如下执行和/或修改。测向角β能够与设备的现有的、要修正的方位角α相加或相减，并且从中得出的角度称作为角度a。从风能设备或瞄准望远镜和测向物体的真实坐标中得出的或算出的在设备定向和北极轴线n之间的角度称作为角度b(γ)。从这两个角度a和b的差中得出风能设备的方位角的所谓的偏移，以便修正风能设备的现有的方位角。
如在图4中可见，至少两个gnss接收器300可以是安置在吊舱104上的、构成为杆400的位置测定设备的一部分。两个gnss接收器300之间的用x表示的间距优选为大约2米。如在图4和图5中示出的那样，位置测定设备能够构成为简单的杆400，在所述杆的相应的端部处设置至少两个gnss接收器300。位置测定设备优选构成为能伸缩的杆。在图5中还可见：位置测定设备400可脱开地固定在下面详细描述的固持件600上。
在图6中示出，两个gnss接收器300也能够构成为位置测定设备的一部分，所述位置测定设备构成为gnss罗盘500或卫星罗盘。这种gnss罗盘500同样能够安置在风能设备的吊舱或者测风承载支架上。优选地，这两个gnss接收器300同样设置在gnss罗盘500的彼此间隔得尽可能远的端部处。
如在图11中可见，能够在安置在测风承载支架160上的风测量设备170上安置也还在图8中示出的固持件600。固持件600在其下侧具有四个凹部601，风测量设备170的四个臂171能够接合到所述凹部中。此外，固持件600具有伸出的保持板602，定向设备能够可脱开地设置在所述保持板上。如图11中示出，例如激光设备800能够可脱开地固定在伸出的保持板602上。激光设备800形式的定向设备例如能够用于：将风测量设备170精确地沿设备视向定向到测风承载支架160上。固持件600、尤其伸出的保持板602在拆卸定向设备之后也能够用于：将至少两个gnss接收器、尤其位置测定设备，和/或瞄准望远镜固定在风测量设备上，即例如风测量设备170或测风承载支架160上。
在图12中示出另一实施方式的测风承载支架160’与设置在其上的超声风测量设备170’。
本发明的思想，即将测定方位角布设到风能设备100本身上并且由此在确定方位角时相对于通过远距离地测向确定风能设备的方位角的常规方法显著提高精度，随之带来不同的优点。一方面，经由优化风向校正函数提高风产率。另一方面，能够经由风能设备的扇形调节降低噪声负荷并且主要降低湍流负荷和进而降低设备的材料负荷，并且在风电场中同样提高风产率。通过用于确定方位角的元件的可脱开性和可再次应用性，还能够有效地且成本适宜地执行该方法。