DE202006015047U1

DE202006015047U1 - Eiswarnsystem für Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE202006015047U1
Application number: DE202006015047U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Klotsche Michael Dipl-Ing Univ De
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2016-09-30

Abstract

Eiswarnsystem dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Sensormodul und einem Datenlogger besteht, wobei der Datenlogger über Datenleitungen mit dem Sensormodul, mit einem Anemometer und der Steuerung der Windkraftanlage verbunden ist.

Description

Kurzfassung des theoretischen Hintergrundes
Ursache für die Vereisung von Windkraftanlagen ist das Vorhandensein von flüssigem Wasser, d.h. Vorhandensein von flüssigen Nebeltröpfchen bei Temperaturen unterhalb von 0°C. Um in den festen Aggregatzustand überzugehen benötigen die Nebeltröpfchen einen Kristallisationskeim. Als Kristallisationskeim können Staubteilchen, in der Luft befindliche Eiskristalle oder ein Gegenstand wirken. Sobald der Kristallisationskeim ein Nebeltröpfchen berührt erstarrt dieses. Kollidiert ein unterkühltes Nebeltröpfchen mit dem Rotorblatt einer Windkraftanlage, so erstarrt es schlagartig und friert auf dem Rotorblatt fest. So können innerhalb kurzer Zeit dicke Eisschichten auf der Vorderkante der Rotorblätter entstehen. Da unterkühltes Wasser und Eis bei gleicher Temperatur unterschiedliche Dampfdrücke besitzen, kann anhand von Temperatur und relativer Luftfeuchte auf das Vorhandensein von unterkühltem Wasser in der Luft geschlossen werden.
Stand der Technik
Die meisten herkömmlichen Sensoren zur Erkennung von Vereisung stammen aus dem Bereich der Luftfahrt. Ein Beispiel dafür ist der Rosemount Icing Detector. Der Rosemount Icing Detector zur Bestimmung von gefrierendem Nebel besteht aus einem zylindrischen Probekörper, der durch ein Piezo-Element zu mechanischen Eigenschwingungen angeregt wird. Beim Auftreten von gefrierendem Nebel lagert sich Eis an dem Probekörper an. Durch die zusätzliche Masse des Eises werden die Eigenfrequenzen der Mechanischen Schwingungen des Probekörpers geändert, was auf Eisansatz schließen läßt.
[Quelle: Mazin, I.P:Thermodynamics of Icing Cylinder for Measurements of Liquid Water Content in Supercooles Clouds]
Im Patent DE 38 83 733 T2 wird auf folgendes US Patent verwiesen, das einen Sensor zur Feststellung von gefrierendem Nebel beschreibt:
Das US Patent US-A-4 210 021 beschreibt einen Sensor, der aus einem beheizten Gehäuse besteht. Die der Luftströmung zugewandte Seite des beheizten Gehäuses stellt eine Arbeitsoberfläche dar, die mit Nebeltröpfchen zusammenstößt. Die Verdampfung der Nebeltröpfchen benötigt Energie, was eine Abkühlung dieser Oberfläche zur Folge hat. Die der Luftströmung abgewandte Seite des Gehäuses stellt eine zweite Arbeitsoberfläche dar, die nicht mit Nebeltröpfchen kollidiert. Diese Seite hat die Temperatur der Luft. Sind keine Nebeltröpfchen vorhanden, dann besitzen beide Oberflächen die gleiche Temperatur. Beim Vorhandensein von Nebeltröpfchen kühlt sich die der Luftströmung zugewandte Seite gegenüber der der Luftströmung abgewandten Seite ab. Auf diese Weise wird das Vorhandensein von Nebel, insbesondere von gefrierendem Nebel festgestellt.
Ein Eiswarnsystem, dass nicht aus der Luftfahrt stammt wurde von der Firma Igus GmbH entwickelt. Das Eiswarnsystem der Firma Igus GmbH mißt über Sensoren in den Rotorblättern die Mechanischen Eigenschwingungen der Rotorblätter der Windkraftanalge. Bei Eisansatz an den Rotorblättern ändern sich die Eigenfrequenzen der Rotorblattschwingungen. So kann die Dicke der Eisschicht auf den Rotorblättern berechnet werden.
Problemstellung
Die im Stand der Technik beschriebenen Konstruktionen bringen folgende Probleme mit sich:
P1: Der Massenstrom der Nebeltröpfchen wird nicht ermittelt, die Windgeschwindigkeit wird auch nicht ermittelt. Dadurch wird der Wassergehalt des Nebels nicht festgestellt. Der Sensor zeigt an, ob Vereisung stattfindet aber nicht in welchen Umfang die Vereisung stattfindet. Die genaue Beschaffenheit des gefrierenden Nebels ist aber wichtig für die Berechnung der Eisschichtdicke an jedem Teil der Windkraftanlage.
P2: Für den Betrieb von Windkraftanlagen ist es zudem wichtig, dass die Windkraftanlage nach dem Verschwinden des gefrierenden Nebels und nach dem Verschwinden der Eisschicht durch Sublimation, wieder automatisch in Betrieb genommen wird. Die vorher genannten Eiswarnsysteme ermitteln nicht die Geschwindigkeit, mit der die Eisschicht von der Windkraftanlage sublimiert.
P3: Eiswarnsysteme, die über die Eigenfrequenz der Schwingung der Rotorblätter den Eisansatz an den Rotorblättern bestimmen können auch Daten den Abbau der Eisschicht auf den Rotorblättern liefern. Sie benötigen aber Sensoren, die in den Rotorblättern angebracht werden müssen. Dies ist aufwendig und verursacht hohe Kosten.
Beschreibung der Erfindung.
Die Probleme P1 bis P3 werden durch folgende Erfindung gelöst.
Das Eiswarnsystem besteht aus einem Datenlogger und einem Sensormodul (2: (1)), das auf der Gondel der Windkraftanlage montiert ist. Der Datenlogger ist zudem mit dem Anemometer und mit der Steuerung der Windkraftanlage verbunden, und erhält so Informationen über die Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage. Ein Beispiel für den Aufbau des Eiswarnsystems ist in 1 zu sehen. Das Sensormodul beinhaltet Sensoren zur Messung von Lufttemperatur und relativer Luftfeuchte sowie einen Probekörper (2: (2)). Der Probekörper wird mit einer konstanten elektrischen Leistung beheizt und enthält einen Temperatursensor. Die Temperatur des Probekörpers ist so zu jeder Zeit bekannt. Weiterhin ist der Probekörper so auf der Gondel der Windkraftanlage befestigt, dass er vom Wind ungehindert umströmt wird.
Liegt kein gefrierender Nebel vor, so wird die Wärme aus dem elektrisch beheizten Probekörper fast ausschließlich durch Konvektion an die umgebende Luft übertragen. Herrscht kein gefrierender Nebel vor, so ist die Wärmeübertragung durch Konvektion und somit auch die Temperatur des Probekörpers ausschließlich abhängig von der Windgeschwindigkeit.
Beim Auftreten von gefrierendem Nebel kollidieren Nebeltröpfchen mit dem Probekörper und bleiben auf ihm haften. Da die Oberflächentemperatur des Probekörpers über der Lufttemperatur liegt, beginnen die auf der Oberfläche des Probekörpers haftenden Nebeltröpfchen zu verdunsten. In diesem Fall wird die Wärme aus dem elektrisch beheizten Probekörper durch Konvektion und zusätzlich über den Wasserdampf an die umgebende Luft abgeführt. Durch den erhöhten Wärmeübergang sinkt die Temperatur des Probekörpers. Das zusätzliche Absinken der Temperatur ist ein Maß für die menge an Wasser, die auf der Oberfläche des Probekörpers verdunstet. Auf diese Weise wird der Wassermassenstrom berechnet, der mit dem Probekörper kollidiert.
Bei Schneefall kommt es ebenfalls zur Kollision von Schneeflocken mit dem Probekörper. Die Schneeflocken bleiben ebenfalls auf dem Probekörper haften, da seine Temperatur über dem Gefrierpunkt liegt. In diesem Fall wird ebenfalls Wasser auf der Oberfläche des Probekörpers verdunstet. Anhand der Lufttemperatur und der relativen Luftfeuchte erkennt der Datenlogger aber, daß kein unterkühltes Wasser in der Atmosphäre vorhanden ist und somit kein gefrierender Nebel vorherrscht.
Der Datenlogger berechnet anhand von Lufttemperatur, relativer Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Rotordrehzahl und Temperatur des Probekörpers den Massenstrom der Nebeltröpfchen, die sich auf den verschiedenen Bauteilen der Windkraftanlage ablagern. Hat die errechnete Eisschichtdicke an einem vorher festgelegten Bauteil der Windkraftanlage einen festgelegten Wert überschritten, so setzt das Eiswarnsystem die Windkraftanlage außer Betrieb.
Liegt kein gefrierender Nebel mehr vor, so beginnt die Eisschicht durch Sublimation zu schrumpfen. Das Eiswarnsystem ermittelt anhand der Lufttemperatur, der Windgeschwindigkeit und der relativen Luftfeuchte die Massenabnahme der Eisschicht durch Sublimation. Unterschreitet die Dicke der Eisschicht einen festgelegten zulässigen Wert, dann setzt das Eiswarnsystem die Windkraftanlage automatisch wieder in Betrieb.

Claims

Eiswarnsystem dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Sensormodul und einem Datenlogger besteht, wobei der Datenlogger über Datenleitungen mit dem Sensormodul, mit einem Anemometer und der Steuerung der Windkraftanlage verbunden ist.
Sensormodul dadurch gekennzeichnet dass das Sensormodul aus einem Temperatursensor zur Messung der Lufttemperatur, einem Sensor zur Messung der relativen Luftfeuchte und einem beheizbaren Probekörper besteht.
Beheizbarer Probekörper dadurch gekennzeichnet dass er elektrisch beheizt wird und so angeordnet ist, dass er vom Wind auf der Gondel der Windkraftanlage umströmt wird.