AT13020U1 - Windturbine mit einer Vereisungsschutzeinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Windturbine weist einen Drehaufbau (15) mit einer um eine Achse (A1) drehbaren Nabe (4) und mindestens einem an der Nabe (4) angebrachten Flügel (5) auf. Die Windturbine ist mit einer Vereisungsschutzeinrichtung (8) zur Verhinderung der Bildung von Eis auf dem Flügel (5) versehen. Die Vereisungsschutzeinrichtung (8) enthält eine auf dem Flügel (5) angeordnete Elektroheizung (10). Zumindest ein Teil einer Außenfläche (5a) des Flügels (5) ist mit einer Schicht (11) aus hydrophobem Material bedeckt, welche mit der Elektroheizung (10) wärmegekoppelt ist.

Description

österreichisches Patentamt AT 13 020 Ul 2013-04-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Windturbine, die mit Vereisungsschutzeinrichtungen versehen ist.

[0002] Es ist bekannt, dass Windturbinen häufig durch das Problem der Eisbildung beeinträchtigt werden. Aufgrund von niedrigen Temperaturen kann nämlich Luftfeuchtigkeit die Ausbildung von Eisschichten unterschiedlicher Dicke und unterschiedlichen Ausmaßes auf den Flügeln bewirken. So kann es beispielsweise zu starken Ablagerungen nach Niederschlag, insbesondere Schneefall, aber auch bei Regen und anschließendem Temperaturabfall kommen. Auch Wasserdampf, der bei Kontakt mit den Flügeln kondensiert, reicht oft aus, um einen Film zu bilden, der frieren und eine Eisschicht oder Eissedimente bilden kann.

[0003] Ein Eisbelag auf Flügeln ist auf jeden Fall nachteilig, u.zw. aus mehreren Gründen.

[0004] Erstens hat die an den Flügeln haftende Eismasse (oft erhebliche) Auswirkungen auf die Leistung der Windturbine. So bringt beispielsweise das erhöhte Gewicht des Rotors aufgrund der größeren Gesamtmasse höhere Belastungen mit sich.

[0005] Außerdem kann eine Eisschicht die Form oder das Profil des Flügels leicht verändern, wodurch der aerodynamische Wirkungsgrad dramatisch abnimmt. Mit anderen Worten, die Oberfläche der Flügel wird durch die Eisschicht auf unvorhersagbare Weise verformt, und die aerodynamischen Eigenschaften der Flügel ändern sich. Die Flügel können somit nicht mit einfallendem Wind auf optimale Weise wechselwirken, und die von der Windturbine übernommene und umgewandelte Energie ist geringer als unter eisfreien Bedingungen.

[0006] Schließlich können große Ablagerungen von Eis auf den Flügeln eine ernste Gefährdung der öffentlichen Sicherheit darstellen. Aufgrund der großen Abmessungen der Flügel (auch im zweistelligen Meter-Bereich) und der Drehbewegung bei relativ hoher Winkelgeschwindigkeit bewegen sich die Umfangsbereiche der Flügel im Einsatz mit hoher Lineargeschwindigkeit. Bei der Bildung von Eis auf den Flügeln können Blöcke herabfallen und in eine beträchtliche Entfernung von der Windturbine geschleudert werden, wodurch augenscheinlich Gefahr entsteht. Das Risiko ist umso größer, wenn die Windturbine in der Nähe von Häusern, Industriegeländen oder Verbindungsstraßen aufgestellt ist.

[0007] Es wurden Systeme gegen Eisbildung konzipiert, die an den Flügeln von Windturbinen angebrachte Elektroheizungen aufweisen.

[0008] In der Praxis werden elektrisch leitende Elemente an den Flügeln angebracht und versorgt, um von Eisbildung betroffene Oberflächen zu heizen.

[0009] Bekannte System haben jedoch zwei Arten von Nachteilen. Erstens ist die Anbringung von elektrischen Leitern oft kompliziert und hat bedeutende Auswirkungen auf die Gesamtkosten jedes Flügels. Außerdem ist es notwendig, eine große Menge von Energie abzugeben, um die Oberfläche der Flügel ausreichend zu erwärmen und die Bildung von Eis zu vermeiden (oder bereits gebildetes Eis zu entfernen). Üblicherweise ist die Verhinderung bzw. Entfernung von Eis vor allem in kühlen Klimazonen nämlich dann wirkungsvoll, wenn die Temperatur der Flügel auf etwa 50°C gehalten wird. Ansonsten genügt der durch die Wirkung des Winds bewirkte Wärmeverlust, damit die auf den Flügeln abgelagerte Feuchtigkeit friert. Der Stromverbrauch zur Erreichung und Aufrechterhaltung eine solchen hohen Temperatur ist somit erheblich.

[0010] Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Windturbine, welche die beschriebenen Einschränkungen nicht aufweist und bei der insbesondere das Risiko von Eisbildung wirksam verringert wird.

[0011] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Windturbine vorgesehen mit: [0012] einem Drehaufbau enthaltend eine sich um eine Achse drehende Nabe und mindestens einen an der Nabe angebrachten Flügel; und 1 /9 österreichisches Patentamt AT 13 020 Ul 2013-04-15 [0013] einer Vereisungsschutzeinrichtung zur Verhinderung der Bildung von Eis auf dem Flügel; [0014] wobei die Vereisungsschutzeinrichtung eine auf dem Flügel angeordnete Elektroheizung aufweist; [0015] dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil einer Außenfläche des Flügels mit einer Schicht aus hydrophobem Material bedeckt ist, die mit der Elektroheizung wärmegekoppelt ist.

[0016] Die Schicht aus hydrophobem Material verhindert oder verringert zumindest die Ablagerung von Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Flügel der Windturbine. Feuchtigkeit in Form von kondensiertem Dampf, Tropfen oder Kristallen haftet nicht an der Außenfläche des Flügels und neigt dazu, sich abzulösen. Die Bildung von Eis wird somit durch die kombinierte Wirkung der hydrophoben Materialschicht, welche die Ablagerung von Feuchtigkeit verhindert, und der Elektroheizung, die elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt, wirkungsvoll bekämpft. Die zur Verhinderung der Bildung von Eis erforderliche Energie ist daher viel geringer als im Fall, wo nur die Elektroheizung verwendet wird. Es reicht im Allgemeinen aus, die Außenfläche des Flügels zur Vermeidung von Sedimenten auf einer Temperatur von etwa 20°C zu halten.

[0017] Außerdem reduziert die Schicht aus hydrophobem Material die Ablagerung von Schmutz und Staub auf der Flügeloberfläche.

[0018] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Heizung eine Schicht aus elektrisch leitendem Material auf, die auf der Außenfläche des Flügels aufgebracht ist.

[0019] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Heizung eine elektrisch leitende Leitung auf, welche auf einer Auflagefolie angeordnet ist, die an der Außenfläche des Flügels angebracht ist.

[0020] Auf diese Weise kann die Vereisungsschutzeinrichtung einfach auf dem Flügel aufgebracht werden.

[0021] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vereisungsschutzeinrichtung eine Mehrzahl von elektrisch verbundenen Modulen auf, von denen jedes einen entsprechenden Heizabschnitt der Elektroheizung aufweist, der auf einem entsprechenden Abschnitt der Auflage vorgesehen und von einem entsprechenden hydrophoben Abschnitt der Schicht aus hydrophobem Material bedeckt ist.

[0022] Die Modularität der Vereisungsschutzeinrichtung macht den Einbau noch einfacher und erhöht auch die Verwendungsflexibilität.

[0023] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Elektroheizung eine leitfähige Folie auf, die im Flügel eingebettet ist.

[0024] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erstrecken sich die Heizung und die Schicht aus hydrophobem Material auf zumindest einem Teil einer Vorderkante des Flügels.

[0025] Auf diese Weise wird die Vorderkante, auf der sich leicht Eis bilden kann, wirkungsvoll geschützt.

[0026] Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, die einige nicht einschränkende Ausführungsformen derselben veranschaulichen, wobei: [0027] Fig. 1 eine Seitenansicht einer Windturbine gemäß einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung ist, wobei Teile zwecks Klarheit weggebrochen sind; [0028] Fig. 2 eine Vorderansicht der Windturbine der Fig. 1 ist, wobei Teile zwecks Klarheit weggebrochen sind; [0029] Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer in der Windturbine der Fig. 1 eingebau ten Vereisungsschutzeinrichtung ist; 2/9

österreichisches Patentamt [0030] Fig. 4 [0031] Fig. 5 [0032] Fig. 6 [0033] Fig. 7 [0034] Fig. 8 [0035] Fig. 9 AT 13 020 Ul 2013-04-15 eine Querschnittsansicht durch einen Teil der Vereisungsschutzeinrichtung der Fig. 3 entlang der Ebene IV-IV der Fig. 3 ist; eine Querschnittsansicht eines Flügels der Windturbine der Fig. 1 entlang der Ebene V-V der Fig. 1 ist; eine vergrößertes Detail der Vereisungsschutzeinrichtung der Fig. 3 zeigt; eine Querschnittsansicht durch einen Teil einer Vereisungsschutzeinrichtung ist, die in einer Windturbine gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist; einer perspektivische Ansicht eines Teils der Vereisungsschutzeinrichtung der Fig. 7 ist; eine Draufsicht auf eine erste Variante der Vereisungsschutzeinrichtung der Fig. 7 ist; [0036] Fig. 10 eine Draufsicht auf eine zweite Variante der Vereisungsschutzeinrichtung der Fig. 7 ist; [0037] Fig. 11 eine Querschnittsansicht eines Teils der Vereisungsschutzeinrichtung ist, die in einer Windturbine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist; und [0038] Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Flügel einer Windturbine gemäß einer weiteren Aus führungsform der vorliegenden Erfindung im Schnitt entlang einer Ebene senkrecht zu einer radialen Richtung ist.

[0039] Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Windturbine, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Die Windturbine 1 weist einen Turm 2, ein Maschinenhaus 3, eine Nabe 4 und eine Mehrzahl von Flügeln 5 (drei in der hierin beschriebenen Ausführungsform) auf. Außerdem sind eine elektrische Maschine 6 und Einrichtungen zur Steuerung bzw. Regelung der Windturbine 1, welche hier nicht im Detail gezeigt sind, im Maschinenhaus 3 untergebracht.

[0040] Die drei Flügel 5 werden von der Nabe 4 getragen, die am Maschinenhaus 3 angebracht ist.

[0041] Das Maschinenhaus 3 ist seinerseits um eine Rotationsachse A1 drehbar am Turm 2 gelagert, um die Flügel 5 windabwärts zu platzieren, wohingegen die Nabe 4 um eine Achse A2 relativ zum Maschinenhaus 3 drehbar ist. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind die Achsen A3 der Flügel 5 im Wesentlichen senkrecht zur Achse A2 der Nabe 4. Die Flügel 5 sind weiters um die jeweilige Achse A3 verstellbar, um einen entsprechenden Einfallswinkel jedes Flügels 5 relativ zur Windrichtung einzustellen.

[0042] Die Nabe 4 und die Flügel 5 legen ein Drehsystem 7 fest, welches um die Achse A2 relativ zum Maschinenhaus 3 drehbar ist und sich selbst unter der Wirkung von Wind mit einer Winkelgeschwindigkeit um die Achse A2 dreht.

[0043] Jeder Flügel 5 ist mit einer entsprechenden Vereisungsschutzeinrichtung 8 ausgestattet, die von einer Stromversorgungsquelle 9 versorgt wird, welche ihrerseits von der elektrischen Maschine 6 betrieben wird.

[0044] Die Vereisungsschutzeinrichtungen 8 sind alle identisch, und daher wird im Folgenden nur auf eine davon Bezug genommen, wenn nicht anders angegeben. Selbstverständlich gilt jedoch alles, was beschrieben und dargestellt ist, gleichermaßen für jede Vereisungsschutzeinrichtung 8. Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, weist jede Vereisungsschutzeinrichtung 8 eine Elektroheizung 10 auf, die über eine Stromversorgung 9 mit der elektrischen Maschine 6 verbunden ist und sich über zumindest einen Teil einer Außenfläche 5a des entsprechenden Flügels 5 erstreckt, sowie eine Schutzschicht 11 aus hydrophobem Material, welche die Elektroheizung 10 bedeckt.

[0045] In der in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Ausführungsform weist die Elektroheizung 10 eine 3/9 österreichisches Patentamt AT 13 020 Ul 2013-04-15

Schicht aus elektrisch leitendem Material auf, die auf der Außenfläche 5a des Flügels 5 aufgebracht ist (Fig. 4). Insbesondere ist das elektrisch leitende Material ein elektrisch leitender Anstrich, der direkt auf dem Flügel 5 aufgebracht ist.

[0046] Die Elektroheizung 10 legt eine Leiterbahn fest, die sich entlang einem polygonalen (wie im dargestellten Beispiel) oder krummlinigen Pfad an der Außenfläche 5a des Flügels 5 erstreckt (Fig. 6).

[0047] Mehr im Detail bedeckt die Elektroheizung 10 eine Vorderkante 12 des Flügels 5 zumindest teilweise und nimmt auf gegenüberliegenden Seiten des Flügels 5 einen Teil der Außenfläche 5a ein, welcher etwa einem Drittel einer Kreissehne C entspricht wie in Fig. 5 gezeigt ist (wobei die Kreissehne C als Abstand zwischen der Vorderkante 12 und einer Hinterkante 13 in einem bestimmten Abstand von der Rotationsachse A1 definiert ist). In einer (nicht dargestellten) anderen Ausführungsform nimmt die Elektroheizung 10 einen Teil der Außenfläche 5a des Flügels 5 ein, welcher etwa der Hälfte der Kreissehne C entspricht.

[0048] Die Elektroheizung 10 verläuft außerdem über einen radial äußeren Teil des Flügels 5 entlang einem Abschnitt, der etwa einem Drittel einer Länge des Flügels 5 selbst entspricht (Fig. 1 und 2).

[0049] In der hierin beschriebenen Ausführungsform ist die Schutzschicht 11 auf der Außenfläche 5a so aufgebracht, dass sie die Elektroheizung 10 überdeckt und sich über einen Bereich erstreckt, der etwas größer als die Elektroheizung 10 ist.

[0050] Die Schutzschicht 11 erstreckt sich somit auch auf der Vorderkante 12 des Flügels 5 und auf einem Teil der Außenfläche 5a, welcher etwa einem Drittel der Kreissehne C und (radial außen) einem Drittel der Länge L des Flügels 5 entspricht.

[0051] Die Schutzschicht 11 ist außerdem eine Schicht aus einem hydrophoben Anstrich, die auf der Außenfläche 5a des Flügels 5 aufgebracht ist. Alternativ kann anstelle eines hydrophoben Anstrichs eine Folie oder ein Film aus hydrophobem Material an der Außenfläche 5a des Flügels 5 angebracht und z.B. mit Hilfe einer Klebeschicht befestigt sein. Weiters wird die Außenfläche zur Beschichtung mit einer hydrophoben Schicht alternativ mit Nanopartikeln behandelt.

[0052] Das die Schutzschicht 11 bildende Material ist vorzugsweise ein superhydrophobes Material.

[0053] Gemäß einer in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform weist die Windturbine 1 auf den Flügeln 5 angeordnete Vereisungsschutzeinrichtungen 108 auf.

[0054] Jede Vereisungsschutzeinrichtung 108 weist eine Elektroheizung 110 und eine Schutzschicht 111 auf.

[0055] Die Elektroheizung 110 ist durch eine elektrisch leitende Leitung, z.B. eine plane Kupferleitung, auf einer Auflagefolie 112 festgelegt. Die Auflagefolie 112 ist flexibel und z.B. mit Hilfe einer Klebeschicht an der Außenfläche 5a des Flügels 5 befestigt.

[0056] Die Schutzschicht 111 besteht aus einem hydrophoben Material und ist derart auf der Auflagefolie 112 aufgebracht, dass sie die Elektroheizung 110 überdeckt. Die Schutzschicht 111 wird vor der Montage auf dem Flügel 5 aufgebracht.

[0057] Die Elektroheizung 110 kann modular (Fig. 9 und 10) sein. In diesem Fall werden entsprechende Abschnitte 110a der Elektroheizung 110 von entsprechenden Abschnitten 112a der Auflagefolie 112 getragen und von entsprechenden Abschnitten der Schutzschicht 111 bedeckt. Die Abschnitte 111a der Elektroheizung können elektrisch in Serie (Fig. 9) oder parallel (Fig. 10) geschaltet sein.

[0058] Gemäß der Ausführungsform der Fig. 11 ist die Windturbine 1 mit Vereisungsschutzeinrichtungen 208 ausgestattet, die jeweils eine Elektroheizung 210 und eine Schutzschicht 211 aus hydrophobem Material aufweisen. Die Elektroheizung 210 ist durch eine leitende Folie festgelegt, welche in der Struktur des Flügels 5 eingebettet ist. Die Schutzschicht 211 überdeckt 4/9

Claims (19)

1. österreichisches Patentamt AT13 020U1 2013-04-15 den Teil des Flügels 5, in welchem die Elektroheizung 210 eingebettet ist. Die Schutzschicht 211 ist daher mit der Elektroheizung 210 wärmegekoppelt, so dass zur Heizwirkung wie zuvor beschrieben der Effekt einer Reduktion von Feuchtigkeitsablagerung hinzukommt. [0059] In der Ausführungsform der Fig. 12 ist die Windturbine 1 mit Vereisungsschutzeinrichtungen 308 ausgestattet, die jeweils eine Elektroheizung 310 und eine Schutzschicht 311 aus hydrophobem Material aufweisen. Dabei ist die Elektroheizung 310 durch eine leitende Schicht auf einer Innenfläche 5b des Flügels 5 (der hohl ist) festgelegt und mit der Außenfläche 5a wärmegekoppelt. Die Schutzschicht 311 ist auf einem Teil der Außenfläche 5a aufgebracht, welcher dem Bereich entspricht, wo die Elektroheizung 310 angeordnet ist. Ansprüche 1. Windturbine mit einem Drehaufbau (15) enthaltend eine sich um eine Achse (A1) drehende Nabe (4) und mindestens einen an der Nabe (4) angebrachten Flügel (5); und einer Vereisungsschutzeinrichtung (8; 108; 208; 308) zur Verhinderung der Bildung von Eis auf dem Flügel (5); wobei die Vereisungsschutzeinrichtung (8; 108; 208; 308) eine auf dem Flügel (5) angeordnete Elektroheizung (10; 110; 210; 310) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil einer Außenfläche (5a) des Flügels (5) mit einer Schicht (11; 111; 211; 311) aus hydrophobem Material bedeckt ist, die mit der Elektroheizung (10; 110; 210; 310) wärmegekoppelt ist.
2. 2. Windturbine nach Anspruch 1, wobei die Elektroheizung (10; 110) eine Schicht aus elektrisch leitendem Material aufweist, welche auf der Außenfläche (5a) des Flügels aufgebracht ist.
3. 3. Windturbine nach Anspruch 2, wobei das elektrisch leitende Material ein leitfähiger Anstrich ist.
4. 4. Windturbine nach Anspruch 3, wobei die Schicht aus hydrophobem Material auf der Außenfläche (5a) des Flügels (5) aufgebracht ist.
5. 5. Windturbine nach Anspruch 1, wobei die Elektroheizung (110) eine elektrisch leitende Leitung aufweist, die auf einer Auflagefolie (112) angeordnet ist, welche an der Außenfläche (5a) des Flügels (5) angebracht ist.
6. 6. Windturbine nach Anspruch 2, wobei die Auflagefolie (112) flexibel ist.
7. 7. Windturbine nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Auflagefolie (112) mit Hilfe einer Klebeschicht (113) befestigt ist.
8. 8. Windturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Vereisungsschutzeinrichtung (108) eine Mehrzahl von elektrisch verbundenen Modulen aufweist, von denen jedes einen entsprechenden Heizabschnitt (110a) der Elektroheizung (110) aufweist, welcher an einem entsprechenden Abschnitt (112a) der Auflagefolie (112) angebracht und von einem entsprechenden hydrophoben Abschnitt (111a) der Schicht (111) aus hydrophobem Material bedeckt ist.
9. 9. Windturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Schicht (111) aus hydrophobem Material auf der Auflagefolie (112) aufgebracht ist.
10. 10. Windturbine nach Anspruch 1, wobei die Elektroheizung (210) eine leitende Folie aufweist, die im Flügel (5) eingebettet ist.
11. 11. Windturbine nach Anspruch 1, wobei die Elektroheizung (310) auf einer Innenfläche (5b) des Flügels (5) angeordnet ist.
12. 12. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroheizung (10; 110) in Form einer Bahn ausgebildet ist, die sich entlang einem polygonalen oder gekrümmten Pfad erstreckt. 5/9 österreichisches Patentamt AT 13 020 Ul 2013-04-15
13. 13. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Elektroheizung (10; 110) in Form einer flachen Platte ausgebildet ist.
14. 14. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Elektroheizung (10; 110; 210; 310) und die Schicht (11; 111; 211; 311) aus hydrophobem Material auf zumindest einem Teil einer Vorderkante (12) des Flügels (5) erstrecken.
15. 15. Windturbine nach Anspruch 14, wobei sich die Elektroheizung (10; 110; 210; 310) und die Schicht aus hydrophobem Material entlang einem Abschnitt des Flügels (5) erstrecken, welcher etwa einem Drittel der Profilsehne (C) des Flügels (5) entspricht.
16. 16. Windturbine nach Anspruch 13, wobei sich die Elektroheizung (10; 110; 210; 310) und die Schicht aus hydrophobem Material entlang einem Abschnitt des Flügels (5) erstrecken, welcher etwa der Hälfte der Profilsehne (C) des Flügels (5) entspricht.
17. 17. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Elektroheizung (10; 110; 210; 310) und die Schicht (11; 111; 211; 311) aus hydrophobem Material entlang einem radial äußeren Abschnitt des Flügels (5) erstrecken.
18. 18. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Schicht (11; 111; 211; 311) aus hydrophobem Material über einen größeren Bereich erstreckt als die Elektroheizung (10; 110; 210; 310).
19. 19. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer elektrischen Stromquelle (9), welche an die Elektroheizung (10; 110; 210; 310) angeschlossen ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 6/9