Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage, eine entsprechende Messeinrichtung sowie eine Windenergieanlage mit einer solchen Messeinrichtung.

Während des Betriebs einer Windenergieanlage wirken Windlasten hauptsächlich auf die Rotorblätter eines Rotors. Die Lasten werden vom Rotor über eine Anbindung an das Maschinengehäuse oder die Gondel in einen Turm oder Mast der Windenergieanlage geleitet. Nachfolgend wird der Begriff Gondel synonym für Maschinengehäuse verwendet.

Darüber hinaus wirken durch den Wind auch Lasten direkt auf den Turm und die Gondel. Die Summe der auf die Windenergieanlage wirkenden Lasten führt zu Verschiebungen der Windenergieanlage, wobei der Turm insbesondere im Bereich der Gondel schwingt bzw. dort eine hohe Schwingamplitude aufweisen kann.

Die Schwingung der Gondel mit dem Turm kann mechanisch als schwingender Massepunkt auf einem fest eingespannten Balken verstanden werden. Schwingungen an sich werden üblicherweise mit der Schwingungsgröße Frequenz beschrieben. Mit einer Eigenfrequenz wird eine Systemeigenschaft beschrieben. Zu der Eigenfrequenz eines mechanischen Schwingers gehört eine Eigenschwingform, die die zu der Eigenfrequenz gehörende Verformung des Körpers während der Schwingung wiedergibt. Üblicherweise treten Eigenfrequenzen paarweise auf, so dass bspw. die erste und zweite Eigenfrequenz im Wesentlichen identisch, zumindest ähnlich sind und die dritte und vierte Eigenfrequenz im Wesentlichen identisch oder ähnlich sind. Dabei ist häufig der ersten Eigenfrequenz eine erste axiale Eigenschwingform zugeordnet und der zweiten Eigenfrequenz ist eine erste laterale Eigenschwingform zugeordnet, wobei sich axial bzw. lateral auf die Rotorachse in der Gondel bezieht. Entsprechend ist der dritten Eigenfrequenz eine zweite axiale Eigenschwingform zugeordnet und der vierten Eigenfrequenz ist eine zweite laterale Eigenschwingform zugeordnet. Die lateralen Eigenschwingformen sind dabei um 90° zu den entsprechenden ersten axialen Eigenschwingformen verschoben. Die Eigenschwingformen, Eigenformen, Schwingungsformen oder Schwingformen werden auch als Eigenmoden bezeichnet und diese Begriffe werden in dieser Anmeldung synonym verwendet.

Darüber hinaus sind zur Beschreibung von Schwingungen die Auslenkung bzw. die Amplitude von Bedeutung. Die Bewegung eines solchen Schwingers kann mathematisch mit Hilfe von Differentialgleichungen beschrieben werden. Eine solche Differentialgleichung weist ein Masse-Glied bestehend aus Masse und Beschleunigungsvektor, ein Dämpfungs-Glied bestehend aus Dämpfungsmatrix und Geschwindigkeitsvektor und ein Steifigkeits-Glied bestehend aus Steifigkeitsmatrix und Bewegungsvektor auf, die auf- summiert der Erregerkraft entsprechen. Mit Hilfe der Beschleunigung, der Geschwindigkeit und der Auslenkung eines Punktes sowie Eigenschaften des Systems, kann somit die Erregerkraft bestimmt werden, wodurch sich dann die Belastung auf den Turm ermitteln lässt.

Zum Erfassen der Schwingung des Turmes im Bereich der Gondel, was vereinfachend auch als Schwingung der Gondel bezeichnet werden kann, werden in der Regel wenigstens ein Beschleunigungssensor zum Ermitteln einer Beschleunigung und/oder ein Lagesensor zum Ermitteln einer Auslenkung im Bereich der Gondel angeordnet. Damit lässt sich auch eine Geschwindigkeit der Gondelbewegung ermitteln. Daraus ist eine Bewegungsgleichung des Turmes im Bereich der Gondel ableitbar. Daraus lässt sich auch eine Turmeigenfrequenz des Turms bestimmen. Aus der Bewegungsgleichung im Bereich der Gondel lassen sich wiederum Belastungen bestimmen, die aufgrund der Schwingung auf den Turm wirken. Auf diese Weise lässt sich hinreichend genau die erste und damit auch die zweite Eigenfrequenz und zumindest die erste Eigenschwingform der Turmschwingung in axialer Richtung ermitteln, die als Stand der Technik in Figur 2 dargestellt ist. Die größte Auslenkung tritt dabei im Kopfbereich des Turms an der Gondel auf.

Im Turm können jedoch auch höhere Eigenschwingformen eine Belastung auf den Turm ausüben. Höhere Eigenschwingformen, wie bspw. eine zweite axiale Eigenschwingform und eine zweite laterale Eigenschwingform, weisen eine größte Auslenkung meist nicht an der Gondel, sondern eher im oberen Drittel bis Fünftel oder unteren Drittel des Turmes auf, die ebenfalls die Anlage belasten können und negative Einflüsse auf die Lebensdauer der Anlage haben können. Ein Erfassen solcher zweiten axialen und zweiten lateralen Turmeigenschwingformen zu der die dritte und vierte Eigenfrequenz gehört ist im Betrieb mit den bekannten Messaufnehmern in der Gondel kaum möglich. Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 101 13 038 A1 , DE 196 41 035 A1 , DE 10 201 1 01 1 392 A1 und US 2007/0182162 A1.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zumindest eins der oben genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die ein Überwachen von Turmschwingungen erleichtert. Zumindest soll zu bisherigen Vorschlägen eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.

Es wird daher ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage umfasst die Schritte Aufnehmen einer Bewegung wenigstens eines an dem Turm angeordneten Markers mittels eines Messaufnehmers. Bestimmen wenigstens einer die Schwingung beschreibenden Schwingungsgröße aus der aufgenommenen Bewegung, wobei das Aufnehmen der Bewegung so erfolgt, dass eine Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer aufgenommen wird. Demnach ist an dem Turm der Windenergieanlage wenigstens ein Marker angeordnet, der hier synonym auch als Markierungselement bezeichnet werden kann. Der oder die Marker, insbesondere eine oder mehrere an dem Turm angeordnete Platte bzw. Platten, bewegt sich mit dem Turm mit, wenn der Turm durch auf die Windenergieanlage wirkende Lasten in Schwingung versetzt wird. Die Bewegung des Markers wird mittels des Messaufnehmers aufgenommen. Der Messaufnehmer bleibt dabei in Ruhe oder bewegt sich selber nur unwesentlich, so dass eine etwaige Bewegung des Messaufnehmers vernachlässigbar ist. Der Marker bewegt sich also relativ zu dem Messaufnehmer. Aus der Relativbewegung des Markers gegenüber dem Messaufnehmer wird eine Schwingungsgröße bestimmt. Die Schwingungsgröße kann dabei bspw. die Frequenz der Schwingung und/oder insbesondere die Amplitude bzw. die Auslenkung des Markers aus seiner Ruhelage sein.

Mit diesen Größen können auch die Schwingbeschleunigung und/oder die Schwinggeschwindigkeit sowie die Dämpfung des Turms bestimmt werden. Die Dämpfung kann dabei positiv oder negativ sein. Bei einer positiven Dämpfung verringern sich die Schwin- gungsamplituden nach der Anregung, das System ist stabil. Eine negative Dämpfung bewirkt ein instabiles System, bei dem die Schwingungsamplituden nach der Anregung zunehmen. Die vorgenannten Größen sind für die Lösung der die Bewegung des Turms beschreibenden Differentialgleichung notwendig. Die Bestimmung der Schwinggröße erfolgt bspw. über eine Fast-Fourier-Transformation oder eine Ordnungsanalyse.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine horizontale Bewegung des Markers aufgenommen. Eine horizontale Bewegung des Markers ist im Wesentlichen quer zu einer Hochachse des Turms der Windenergieanlage gerichtet. Folglich werden Transversalschwingungen des Turms aufgenommen. Daher erfolgt das Aufnehmen der Bewegung des Markers frei von Effekten, die in Richtung der Hochachse des Turmes wirken. Solche Querbewegungen im Turm erzeugen eine Biege- bzw. Druckbelastung im Turm. Daher lässt sich aus den Horizontal- bzw. Querbewegungen des Markers eine Belastung auf den Turm ableiten.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wenigstens eine Marker oder ein Marker davon in einem Bereich am Turm angeordnet, in dem eine maximale Auslenkung einer zweiten Eigenschwingform der zu bestimmenden Schwingung zu erwarten ist und/oder der Marker in einem unteren Drittel des Turmes oder in einem oberen Drittel des Turmes und/oder in einem oberen Fünftel des Turmes angeordnet wird. Die Auslenkung ist besonders dann im oberen Fünftel groß, wenn der untersuchte Turm ein Hybridturm ist, der im unteren Bereich als Betonturm und im oberen Bereich als Stahlturm ausgebildet ist. Dabei soll der Marker nicht im Turmkopf, insbesondere nicht in der Gondel angeordnet sein, sondern wenigstens 10% unterhalb des Turm köpf es.

Die zweite Eigenschwingform der Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage ist gekennzeichnet durch das Ausbilden eines Schwingungsbauches im Bereich des unteren Drittels oder einem oberen Drittel oder einem oberen Fünftel des Turms. Diese Bereiche des Turmes haben bei der zweiten Eigenschwingform, sei es eine axiale oder laterale, eine große Auslenkung, so dass hier die Bewegung gut erfasst werden kann. An der Stelle mit der größten Auslenkung ist also die Querbewegung am größten, so dass an dieser Stelle hohe Belastungen im Turm entstehen. Somit ist die Kenntnis der Auslenkung wichtig für die Bestimmung der auf den Turm wirkenden Lasten und damit für die Lebensdauerabschätzung. Die Position kann aus Erfahrungswerten oder aus Simulatio- nen basierend auf einem Modell aus finiten Elementen bestimmt werden. Auch eine analytische Berechnung kommt in Betracht. Durch Messen der an dem Turm tatsächlich auftretenden Schwingungen können auch zur Auslegung des Turms durchgeführte Simulationsberechnungen validiert werden. Außerdem oder alternativ kann eine Position gewählt werden, an der eine große Auslenkung der dritten Eigenschwingform zu erwarten ist. Damit kann die dritte Eigenschwingform und fünfte und sechste Eigenfrequenz gut bestimmt werden. Als Position zum Anordnen eines Markes, an der die zweite und die dritte Eigenschwingform eine große Auslenkung haben, bietet sich ein Übergangsbereich zwischen jeweils einem Maximum beider Eigenschwingformen an. Ein solcher Übergangsbereich kann besonders zwischen einer Turmmitte und einem oberen oder unteren Drittel des Turmes sein.

In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Messaufnehmer in einem Kopf- oder Fußbereich des Turmes angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass von diesen Bereichen aus besonders gut die Bewegung des Markers erfasst werden kann.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst der Messaufnehmer eine Richtung, in der sich der Marker in Bezug auf den Messaufnehmer befindet und die Bewegung des Markers wird aus einer Veränderung der erfassten Richtung ermittelt. Das kann besonders dadurch erreicht werden, dass der Messaufnehmer dem Marker nachgeführt wird.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass von dem Messaufnehmer Licht emittiert wird, das von dem mindestens einen Marker an den Messaufnehmer reflektiert und von dem Messaufnehmer empfangen wird. Damit wird ein kontaktloses Aufnehmen der Bewegung des Markers ermöglicht. Ein kontaktloses Aufnehmen der Bewegung des Markers mittels Licht weist eine hohe Sensibilität der Messung auf, da kleinste Veränderungen in der Lage des Markers eine Änderung der Reflexion des Lichts von dem Marker bewirken können. Somit lassen sich auch bei sehr kleinen Bewegungen zuverlässige Messwerte aufnehmen. Da eine solche Messanord- nung ohne mechanisch bewegliche Elemente auskommt, weist eine Verwendung einer solchen Messanordnung eine hohe Lebensdauer auf. Vorzugsweise werden Messaufnehmer verwendet, die einen Laserstrahl emittieren. Damit kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden.

Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Marker ein Refe- renzmuster aufweist und das Referenzmuster von dem Messaufnehmer optisch erkannt wird, so dass eine Bewegung des Markers von dem Messaufnehmer als Bewegung des Referenzmusters erkannt wird, wobei das Referenzmuster vorzugsweise als ein- oder zweidimensionaler Strichcode ausgebildet ist. Das Verfahren erfasst somit diese Bewegung des Referenzmusters.

Besonders über einen Strichcode kann die Bewegung auch quantitativ erfasst werden. Bei Verwendung eines Strichcodes kann die Bewegung über das Zählen sich an einem Fokussierpunkt vorbeibewegender Striche quantitativ erfasst werden. Zwischen zwei Strichen kann über eine Helligkeitsveränderung die Position erkannt werden. Wird ein zweidimensionaler Strichcode verwendet und ist er in die beiden Richtungen unterschiedlich codiert, weist also bspw. unterschiedlich dicke Striche auf, kann der Messaufnehmer darüber die genaue Bewegungsrichtung des Markers erfassen. In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewegung des Markers von dem Messaufnehmer über eine Änderung einer physischen Verbindung zwischen dem Messaufnehmer und dem Marker erfasst. Eine solche physische Verbindung könnte beispielsweise ein zwischen dem Messaufnehmer und dem Marker gespanntes Zugmittel wie bspw. ein Seil sein, wie bspw. bei einem Seilzug-Wegsensor. Eine Bewegung des Markers wird dabei zu einer Veränderung eines Abstandes zwischen Messaufnehmer und Marker führen. Entsprechend wird das Zugmittel gezogen, was von dem Messaufnehmer erfasst wird. Eine Verwendung einer solchen Messanordnung könnte auch bei Ausfall einer Stromversorgung der Lichtquelle des Messaufnehmers eine Bewegung des Markers erfassen. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schwingung einer zweiten Eigenschwingform und optional auch weiterer Eigenschwingformen einschließlich einer ersten Eigenschwingform der Schwingung des Turms bestimmt. Dadurch können überlagerte Eigenschwingungsformen ermittelt werden. Auch die jeweiligen axialen und lateralen Eigenschwingformen können sich überlagern. Beispielsweise kann bei Überlagerung der ersten und zweiten Eigenfrequenz, und somit der ersten axialen und ersten lateralen Eigenschwingform, die Gondel und der Turm nach vorne und hinten schwingen, gleichzeitig aber auch der Turm in sich, um ein anschauliches Beispiel zu nennen. Die Bestimmung und Überwachung nur der ersten Eigenschwingform könnte dazu führen, dass die Anlage belastende Bewegungen der weiteren Eigenschwingformen unerkannt bleibt und damit bspw. auch eine insgesamt höhere Belastung der Windenergieanlage, besonders des Turmes, unerkannt bliebe.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass aus der Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer eine Torsionsschwingung des Turms erfasst wird. Bei Auftreten einer Torsion des Turms entstehen zusätzliche Schubspannungen in dem Turm, die zu einer zusätzlichen Belastung führen. Somit können kritische Belastungen, die bspw. aus einer Überlagerung von Schubspannungen und Querspannungen entstehen, zuverlässig erkannt werden. Auch dafür kann die Bewegung des Markers erfasst werden und daraus kann die Torsionsbewegung und daraus die Torsionsschwingung ermittelt werden.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der Bewegung des Markers eine Strukturbelastung der Windenergieanlage erfasst. Hierfür kann aus der Bewegung des Markers wenigstens eine Eigenschwingform bestimmt werden. Mittels bekannter Größen wie der Masse und der Steifigkeit des Turms und der berechneten Schwingungsgrößen kann eine äußere Erregerkraft ermittelt werden, mit der die Windenergieanlage bzw. der Turm angeregt wird, aus der dann die Belastung der Windenergieanlage abgeleitet, insbesondere errechnet werden kann. Damit lassen sich auch Belastungen der Rotorblätter oder Unwuchten des Rotors ermitteln. Die Erregerkraft F _err kann über die nachfolgende Gleichung ermittelt werden: m ^■ ü(t) + d ^■ ü(t) + k ^■ u(t) = F _err ,

In der Gleichung ist u die erfasste Auslenkung am Marker. Die relevante Masse wird darin als punktförmige Masse m im Bereich des Markers berücksichtigt. Eine Dämpfung wird über die Dämpfungskonstante d und eine Steifigkeit über die Steifigkeitskonstante k berücksichtigt. Dabei kann der Term m - ü(t) als Masse-Glied, der Term d - ü(t) als

Dämpfungs-Glied und der Term k - u(t) als Steifigkeits-Glied interpretiert werden. F _err gibt darin die Erregerkraft an.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes der Belastung oder einer Schwingungsgröße die Windenergiean- läge dazu eingerichtet ist, in einen sicheren Betriebszustand überführt zu werden, insbesondere, dass die Windenergieanlage abgeschaltet wird oder eine die Belastung oder die jeweilige Schwingungsgröße reduzierende Regelstrategie aktiviert wird. Wird also eine Grenzwertüberschreitung erkannt, ist das Verfahren dazu ausgebildet, die Windenergieanlage in einen sicheren Betriebszustand zu überführen und ggf. die Windenergieanlage dazu abzuschalten. Eine die Belastung reduzierende Regelstrategie schlägt vor, eine Pitchwinkelsteuereinrichtung für die Rotorblätter zu betreiben, um Einfluss zu nehmen und den Anstellwinkel der Rotorblätter zum Wind zu ändern, um eine Schwingungsanregung zu reduzieren. Auf diese Weise könnte die Belastung reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Azimutwinkel der Gondel verändert werden. Somit lassen sich Sicherheitsmaßnahmen beim Auftreten von sicherheitsrelevanten Schwingungen ergrei- fen.

Des Weiteren wird eine Messeinrichtung zum Bestimmen einer Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage, mit einem an dem Turm angeordneten Messaufnehmer und wenigstens einem an dem Turm angeordneten Marker vorgeschlagen, wobei die Messeinrichtung dazu konfiguriert ist, ein Verfahren gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform auszuführen. Somit wird ein messtechnisches Mittel bereitgestellt, das auf einfache Art und Weise eine Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Turms oder einer anderen Windenergieanlagenstruktur ermöglicht. Damit wird auch ein Überwachungssystem zur Lastenabschätzung und zum Ausführen von Regelungsstrategien geschaffen. In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung sind der Messaufnehmer und der wenigstens eine Marker an einer Turmwand angeordnet. Der Marker kann dabei als eine Platte ausgestaltet sein, die sich von der Turmwand erstreckt. Der Messaufnehmer ist bspw. oberhalb oder unterhalb der Platte an der Turmwand angeordnet, wobei der Messaufnehmer auf die Platte ausgerichtet ist. An der Turmwand ist demnach eine Sichtverbindung oder eine physische Verbindung zwischen dem Marker und dem Messaufnehmer vorgesehen.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung sieht vor, dass der Messaufnehmer und der wenigstens eine Marker in einem Inneren des Turms oder in der Turmmitte auf einer Zwischenplatte angeordnet sind. Durch eine Anordnung der Kompo- nenten der Messeinrichtung im Turm sind diese vor Witterungseinflüssen geschützt. Insbesondere bei der Anordnung des Markers in der Turmmitte auf einer Zwischenplatte ist er gut zu erreichen, sowohl für den Fall einer Wartung, als auch für den Messaufnehmer.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung weist der Marker ein Referenzmuster auf. Bspw. weist der Marker ein Markierungsmuster wie einen Strichcode auf. Über eine optische Nachverfolgung des Markierungsmusters kann seine Bewegung erkannt und ausgewertet werden. Alternativ wird der Messaufnehmer nicht dem Markierungsmuster nachgeführt, sondern es werden von dem Messaufnehmer Änderungen des Musters durch seine Bewegung in Bezug auf einen Fokussierungs- punkt, auf den der Messaufnehmer optisch fokussiert, aufgenommen. Gemäß dieser Alternative kann somit der Messaufnehmer dazu eingerichtet sein, über eine Veränderung der Lage des Markers und damit des Markierungsmusters eine Bewegung des Markers zu erkennen.

Weiterhin wird eine Windenergieanlage mit einem Turm und einer Gondel, an der ein Rotor befestigt ist, vorgeschlagen, die eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung aufweist.

Weiterhin wird eine Windenergieanlage vorgeschlagen mit einem Turm und einer auf dem Turm angeordneten Gondel, wobei die Gondel einen aerodynamischen Rotor aufweist, weiter umfassend einen an dem Turm angeordneten Marker, einen Messaufnehmer zum Aufnehmen einer Bewegung des wenigstens einen Markers, ein Bestimmungsmittel zum Bestimmen wenigstens einer die Schwingung beschreibenden Schwingungsgröße aus der aufgenommenen Bewegung, wobei der Messaufnehmer und der wenigstens eine Marker dazu vorbereitet sind, das Aufnehmen der Bewegung so durchzuführen, dass eine Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer aufgenommen wird. Die Windenergieanlage ist somit besonders dazu vorbereitet, ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform durchzuführen. Der Messaufnehmer und der Marker sind dadurch dazu vorbereitet, das Aufnehmen der Bewegung so durchzuführen, dass eine Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer aufgenommen wird, dass sie zueinander beabstandet angeordnet sind. Besonders weisen sie eine optische Verbindung zueinander auf, oder ein Zugelement, das die relative Bewegung aufnimmt.

Vorzugsweise ist die Windenergieanlage dazu vorbereitet, ein Verfahren gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Insoweit sind auch die dazu vorstehend gemachten Erläuterungen auf die Windenergieanlage anwendbar. Außerdem oder alternativ weist die Windenergieanlage eine Messeinrichtung gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform auf. Ganz allgemein, besonders zu der Windenergieanlage, ist zu beachten, dass Messaufnehmer und Marker solche der Messeinrichtung sind, sofern eine Messvorrichtung verwendet wird. Vorzugsweise ist die Windenergieanlage dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer in einem Kopf- oder Fußbereich des Turms angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass dort besonders gut Eigenschwingformen der zweiten und höheren Eigenfrequenz erfasst werden können. Die Erfindung schlägt somit eine Lösung vor, die Verformungen, Eigenfrequenzen und Eigenschwingformen von Strukturen einer Windenergieanlage zur Überwachung der Schwingungen der Struktur erfassen kann. Dazu ist vorzugsweise ein kontaktloses Messverfahren vorgesehen. Darüber hinaus können Abschätzungen der Strukturlasten im Rahmen eines Lastenüberwachungssystems erweitert werden. Die ermittelten Messdaten lassen sich als Eingaben für lastreduzierende Regelungsstrategien, wie bspw. eine aktive Turmschwingungsdämpfung, verwenden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Windenergieanlage.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Schwingbewegung der Windenergieanlage in ihrer ersten Eigenschwingform.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Schwingbewegung der Windenergieanlage in ihrer zweiten Eigenschwingform.

Fig. 4a bis 4c zeigen verschiedene Referenzmuster eines Markers einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung.

Fig. 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 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.

Durch an der Windenergieanlage 100 auftretende Windlasten kann die Windenergieanlage 100 in Schwingung geraten. Eine erste Eigenschwingform der Windenergieanlage ist in Fig. 2 dargestellt. Die erste Eigenschwingform ist durch eine Art Pendelbewegung der Gondel 104 um eine Ruhelage gekennzeichnet. Bei der in Fig. 2 gezeigten Bewegung schwingt die Gondel 104 der Windenergieanlage 100 im Wesentlichen von links nach rechts in Richtung der Rotorachse. Die linke Seite der Fig. 2 zeigt die Windenergieanlage 100 in einer ersten Maximalauslenkung, die rechte Seite zeigt die Windenergieanlage 100 in einer zweiten Maximalauslenkung. Zwischen diesen beiden Positionen schwingt die Gondel hin und her, wobei der Turm 102 dabei eine Biegebelastung erfährt. Mit Kenntnis der auf die Windenergieanlage 100 wirkenden Belastungen kann die Lebens- dauer abgeschätzt werden, jedenfalls wenn diese Messungen regelmäßig durchgeführt werden. Diese Schwingbewegung kann mit einem in der Gondel 104 angeordneten Beschleunigungsmesssensor 1 12 erfasst werden.

Es wurde erkannt, dass auch weitere Eigenschwingformen an Windenergieanlagentür- men auftreten können, die einen Einfluss auf die Lebensdauer der Windenergieanlagen haben. Eine zweite Eigenschwingform der Windenergieanlage 100 ist in Fig. 3 gezeigt. Bei der zweiten Eigenschwingform des Turms 102 schwingt im Wesentlichen der Turm 102 im Bereich des oberen Fünftels und im Bereich des unteren Drittels, so dass der Turm 102 sich wellenförmig oder S-förmig verformt und somit in dem oberen Bereich, insbesondere im oberen Fünftel, die größten Auslenkungen zu erwarten sind. Eine solche Eigenschwingform ist mit einem Beschleunigungsmesssensor 1 12 nur schwierig zu erfassen. Zur besseren Übersicht ist die Windenergieanlage 100 in den Figuren 2 und 3 lediglich schematisch dargestellt und der Einfachheit halber sind die gleichen Bezugszeichen für ähnliche Elemente verwendet worden. Die in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Windenergieanlage 100 weist daher eine Messeinrichtung 120 auf. Die Messeinrichtung 120 umfasst einen Messaufnehmer 122 und wenigstens einen an dem Turm 102 angeordneten Marker 124. Im Betrieb treten an der Windenergieanlage 100 Windlasten auf, die die Windenergieanlage 100 bzw. die Gondel 104 und/oder den Turm 102 in Schwingung versetzen. Während der Schwingung bewe- gen sich der Messaufnehmer 122 und der Marker 124 relativ zueinander. Zum Bestimmen der Schwingung des Turms 102 der Windenergieanlage nimmt der Messaufnehmer 122 die Bewegung des Markers 124 auf. Aus der aufgenommenen Bewegung wird eine Schwingungsgröße bestimmt, die die Schwingung beschreibt. Eine die Schwingung beschreibende Größe kann eine Frequenz und/oder eine Auslenkung sein. Aus diesen Größen wird dann eine Schwinggeschwindigkeit und/oder eine Schwingbeschleunigung und/oder eine Dämpfung des Systems bestimmt.

Der Marker 124 ist an einer Turmwand des Turms 102 angeordnet. Wie beschrieben, ist bei der zweiten Eigenschwingform die Auslenkung in einem oberen Bereich des Turms 102 am größten. In diesem Bereich des Turms 102, wo die größte Auslenkung bei der zweiten Eigenschwingform erwartet wird, wird der Marker 124 angeordnet.

Der Messaufnehmer 122 ist in der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform in einem Fußbereich des Turms 102 angeordnet. Der Messaufnehmer 122 erfasst eine Richtung, in der sich der Marker 124 in Bezug auf den Messaufnehmer 122 befindet, angedeutet durch die Verbindungslinie 126 zwischen Messaufnehmer 122 und Marker 124. Demnach ist es auch möglich, den Messaufnehmer 122 bspw. in einem Kopfbereich des Turmes 102 anzuordnen. Der Messaufnehmer 122 würde dann oberhalb des Markers 124 angeordnet werden. Es ist vorgesehen, wie auch in Fig. 3 angedeutet, dass der Marker 124 als Platte ausgebildet ist. Die Platte und der Messaufnehmer 122 sind bspw. im Inneren des Turms 102 angeordnet. Die Platte und der Messaufnehmer sind jeweils an der Turmwand angeordnet oder zumindest mit der Turmwand verbunden. Alternativ können die Platte und der Messaufnehmer 122 auch auf einer Zwischenplatte jeweils in der Turmmitte angeordnet sein.

Die Bewegung des Markers 124 wird dann aus einer Veränderung der erfassten Richtung ermittelt. Bei der in der linken Hälfte von Fig. 3 dargestellten Windenergieanlage 100 ist der Marker 124 nach rechts ausgelenkt. Die rechte Bildhälfte der Fig. 3 zeigt die Windenergieanlage 10 mit einem nach links ausgelenkten Marker 124. Der Bereich des Turms 102, in dem der Messaufnehmer 122 angeordnet ist, schwingt bei der zweiten Eigenschwingform im Wesentlichen nicht und verbleibt im Großen und Ganzen unausgelenkt. Daraus resultiert eine Veränderung der Richtung des Markers 124 in Bezug auf den Messaufnehmer 122. Aus dieser Veränderung der Richtung, in der sich der Marker 124 in Bezug auf den Messaufnehmer 122 befindet, wird die Bewegung des Markers 124 ermit- telt. Typische Schwingwege bzw. Auslenkungen für die zweite Eigenfrequenz betragen wenige Zentimeter bis zu 0,5 Meter. Die Messeinrichtung 120 muss also dazu ausgebildet sein, solche Schwingwege zu erfassen.

Vorzugsweise wird die Bewegung des Markers 124 kontaktlos von dem Messaufnehmer 122 aufgenommen. Wichtig ist bei dem kontaktlosen Erfassen der Bewegung des Mar- kers, dass eine freie Sichtverbindung zwischen Messaufnehmer 122 und Marker 124 vorhanden ist. Der Messaufnehmer 122 weist eine Vorrichtung zum Emittieren von Licht auf, wie bspw. einen Laser. Das von dem Messaufnehmer 122 emittierte Licht wird von dem Marker 124 reflektiert und von dem Messaufnehmer 122 empfangen. Bewegt sich der Marker 124 aus seiner Ruhelage heraus, führt der Messaufnehmer 122 den Laser- strahl dem Marker 124 nach. Der Laserstrahl ändert also seine Ausrichtung. Aus den Laufzeitvariablen wird dann die Bewegung des Markers 124 bestimmt.

Die Bewegung des Markers 124 könnte auch mit einem Seilzug mit dem Messaufnehmer 122 gekoppelt sein. Dazu würde eine physische Verbindung zwischen Marker 124 und Messaufnehmer 122 hergestellt werden, die in Figur 3 aber nicht dargestellt ist. Eine Bewegung des Markers 124 würde dann eine Längenänderung des Seils, oder anderen Zugmittels bewirken, die bspw. über einen Inkrementalgeber von dem Messaufnehmer 122 erkannt werden könnte. Es ist vorgesehen, dass der Marker 124 ein Referenzmuster 128, 130 (Fig. 4) aufweist. Der Messaufnehmer 122 beobachtet das Referenzmuster 128, 130 und ermittelt aus der Veränderung des beobachteten Referenzmusters 128, 130 die Bewegung des Markers.

Aus der aufgenommenen Bewegung wird nun eine Schwingungsgröße bestimmt, die die zweite Eigenschwingform der Schwingung des Turms 102 beschreibt. Aus der so be- stimmten Schwingungsgröße lassen sich ggf. auch weitere Eigenschwingformen bestimmen. Des Weiteren können mit Kenntnis der Schwingung auch Belastungen auf die Windenergieanlage 100 errechnet werden. Aus der Bewegung des Markers lassen sich unmittelbar Strukturbelastungen der Windenergieanlage 100 errechnen. Mit Hilfe der Messeinrichtung lassen sich sowohl Querschwingungen, sowohl in axialer und auch in lateraler Richtung als auch Torsionsschwingungen des Turms erfassen. Bei einer Torsionsschwingung tordiert der Turm im Wesentlichen um seine Hochachse, wodurch Schubspannungen im Turm und ggf. auch Normalspannungen in Richtung der Turmhochachse entstehen.

Fig. 4a zeigt ein Referenzmuster 128 für den Marker 124 für eine rechteckige oder runde Platte als Marker 124. Das Referenzmuster weist vertikale und horizontale Linien auf, die kreuzweise übereinander angeordnet sind. Durch Beobachtung der Wanderung des Musters 128 kann der Messaufnehmer 122 feststellen, in welche Richtung der Marker 124 sich bewegt bzw. in welche Richtungen er schwingt. Die Linien sind in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Der Abstand zwischen zwei Linien stellt ein Inkre- ment einer Verschiebung des Markers 124 dar. Mit einem solchen Kreuzmuster 128 sind auch Schwingungen erfassbar, deren Schwingungszentrum nicht exakt in der Turmmitte liegt. Bspw. könnte bei einer Überlagerung der zweiten axialen und zweiten lateralen Eigenschwingform der Turm vor/zurück und seitlich dazu, also links/rechts schwingen, so dass eine resultierende Richtung der Schwingbewegung nicht durch die Turmmitte ver- läuft. Diese Art Referenzmuster 128 findet vorzugsweise Anwendung, wenn der Marker 124 an der Turmwand angeordnet ist.

Fig. 4b zeigt ein weiteres Referenzmuster 130 für den Marker 124. Das Referenzmuster 130 weist eine Mehrzahl von konzentrischen Linien auf, die in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Diese Art Referenzmuster 130 findet vorzugsweise Anwendung, wenn der Marker 124 in der Turmmitte angebracht ist.

Das Referenzmuster 132 kann auch einen Farbverlauf aufweisen, wie es in Fig. 4c angedeutet ist. Über einen Farbmesser kann dann die genaue Auslenkung des Markers 124 festgestellt werden. Der Farbverlauf ist dabei beliebig wählbar und könnte bspw. auch aus der Mitte heraus von hell nach dunkel verlaufen. Der Farbverlauf könnte auch mehrere Farben umfassen.

Die Referenzmuster sind alternativ außen auf dem Turm angeordnet, bspw. mit einer Lackierung auf der Turmaußenwand. Aus einem Fenster der Gondel wird von einem Messaufnehmer das wandernde Referenzmuster beobachtet und aus der Bewegung wie beschrieben eine Schwingung des Turms ermittelt.

Mit Hilfe der zweiten Eigenschwingform lassen sich weitere auf Windenergieanlagen wirkende Belastungen identifizieren und bestimmen. Mit deren Hilfe können dann Ansätze zur Lebensdauerabschätzung verbessert und Regelalgorithmen in Windenergieanla- gen angepasst werden. Bei zu hohen auf den Turm wirkenden Lasten, bspw. durch Überlagerung von Frequenzen, kann bspw. ein Stoppen der Windenergieanlage 100 eingeleitet werden. Regelalgorithmen der Windenergieanlage können also dahingehend angepasst werden, dass bei Überschreiten von Grenzwerten der Belastung oder einer Schwingungsgröße, die Windenergieanlage abgeschaltet wird. Schwingt der Turm zu sehr und wird dadurch die Auslenkung des Turms sehr groß, treten Belastungen auf, die zu Beschädigungen an der Anlage führen. Um das zu verhindern, greift nun ein Regelalgorithmus ein, der die Anlage stoppt.

Mit Kenntnis der zweiten Eigenfrequenz, kann aber auch so in die Regelung der Anlage eingegriffen werden, dass bspw. der Anstellwinkel der Rotorblätter geändert wird, wo- durch sich bspw. geringere Windlasten am Blatt ergeben, die eine Schwingungsgröße reduziert.