AT503537A1

AT503537A1 - Enteisungssystem für windkraftanlagen

Info

Publication number: AT503537A1
Application number: AT0069106A
Authority: AT
Inventors: Michael Kaiser; Johannes Kienl; Wolfgang Ing Kummer
Original assignee: Kummer Ursula
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-11-15
Also published as: WO2007121501A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung von vorhandenem Eisansatz an Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen.

Vorrichtungen zur Beseitigung von Eisansatz auf Luftfahrzeugen, bei denen die Oberfläche von Luftfahrzeugen verändert wird, sind bereits bekannt. Der Einsatz dieser Vorrichtungen auf Windkraftanlagen ist aber beschränkt oder nicht möglich. Allgemein gibt es noch keine zufrieden stellende Lösung, wie diese, die eine Windkraftanlage enteist(de-ice-Verfahren).

Dieses System zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: den geringen Materialaufwand, geringen Wartungsaufwand, die geringe Störanfälligkeit und damit hohen Verlässlichkeit, den sehr geringen Leistungsverbrauch, hohe Redundanz, den ausgezeichneten Wirkungsgrad und die gute Wirksamkeit, der einfachen Installation an bestehenden Systemen, die geringen Installations- und Betriebskosten, der raschen Austauschbarkeit, der geringen thermischen Einwirkung auf die, allgemein gesagt, Windkraftanlage, dem geringem Gewicht und dem daraus folgenden hohen Leistungsgewicht, der geringen aerodynamischen Beeinflussung, den beinahe lautlosen Betrieb, den vielfältigen Einsatzgebiet und der hohen FOD Beständigkeit

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Beseitigung des Eises, auf der Oberfläche von Windkraftanlagen, die Heizeinheit, unterhalb der Deckschicht und oberhalb der Einbauhilfe und Verklebung, logisch von der Rechnereinheit angesteuert wird. Der Einschaltbefehl für die Heizmatte kann seitens des Piloten und seitens des Eissensors und der damit verbundenen logischen Rechnereinheit erfolgen.

Nun wirkt die Heizeinheit, verstärkt durch den Thermoreflektor-Effekt der Verklebung zwischen Heizeinheit und Einbauhilfe, thermisch auf die Deckschicht ein. Die Deckschicht des Enteisungssystems heizt sich aufgrund der thermischen Einwirkung auf und gibt die Wärmeenergie and die unterste Eisschicht der betroffenen Stelle weiter, die dadurch schmilzt. An die Stelle der mechanischen Verbindung zwischen dem Eis und dem Enteisungssystem tritt nun ein Wasserfilm auf dem das Eis aufschwimmt. Gleichzeitig expandiert die Deckschicht aufgrund der thermisch induzierten Einwirkung mechanisch. Diese mechanische Ausdehnung wird aufgrund der einseitig fest eingespannten Deckschicht, hier speziell die Rotorblätter, zur Nasenleiste geführt. Aufgrund der angewinkelten Form der Deckschicht, an der frei beweglichen Seite, gleitet eine Deckschicht auf der zweiten auf und durchstößt das Eis. Dieser Hebeeffekt wird durch die Membrane mechanisch verstärkt. Aufgrund der nun getrennten Eisplatte und des entstandenen Wasserfilms gleitet das Eis aufgrund aerodynamischer Druckkräfte von der Rotorblattoberseite ab.

Aufgrund einer Zeitschaltuhr oder des Temperatursensors wird das System auf diesem Oberflächensegment der Windkraftanlage nun abgeschaltet und logisch das nächste Segment eingeschaltet. Das ursprüngliche System wird nun nicht mehr geheizt und wird zusätzlich durch die Fahrtkühlung in die mechanische Ursprungsstellung gebracht. Die gesamte Spannungsversorgung gewährleistet ein Generator. Am Beispiel eines Rotorblattes, verläuft diese zyklische Steuerung beginnende von der Rotorblattwurzel bis zum Rotorblattende symmetrisch. Bei defekt eines Segmentes wird das Nächste angesteuert und nur das Defekte Still gelegt.

Es wird somit eine hohe Redundanz gewährleistet.

Bei besonders tiefen Temperaturen gewährleistet der T-Stoß, der mit einer Deckschichtseite mechanisch fest verbunden ist, die axiale Führung der Deckschicht und verhindert, dass die (auf den Bildern obere) Deckschicht vom Fahrtwind eingebeult wird. Zusätzlich definiert er eine bestimmte Fläche und damit Kraft die durch das Eis stößt.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: ein Schaltbild für das Enteisungssystem in einer Windkraftanlage

Figur 2: ein Schnittbild des erfindungsgemäßen Enteisungssystems auf einem Rotorblatt der Windkraftanlage angewendet.

Figuren 3 a und 3b: den Ablöseprozess und Optimierungen des erfindungsgemäßen Enteisungssystems an einem Rotorblatt einer Windkraftanlage. ·· ··# ··· ·· ····· ··· · « • · · · · · ··· · • · · · ···· · ···· · ······ · · ·· ·· · ···· · ····

In Fig.l zeigt die Ansteuerungskette des de-ice-Systems.

Das elektrische System zur Regelung der Heizmatten, besteht aus einem Bus, das von einem Master und einem Slave in der Rechnereinheit(4) gesiteuert wird. Diese beiden Hauptrechner kontrollieren den Bus, geben Output aufs Display(3) (einziger Input vom Display ist die Ein/Aus Auswahl) und speichern etwaige Defekte, die über einen Servicestecker(6) von einem Wart abgefragt werden können.

Am Bus sind die Module für die Eissensoren(l) und Heizsysteme(5) angeschlossen. Ein Modul des Eissensors kann aus mehreren Eissensoren und einem Mikrocontroller bestehen, der die Ergebnisse an die Hauptrechner leitet. Bei Betätigung der Heizmatten werden, angespeist durch den Leistungsbus vom Generator(2), die Rotorblätter enteist.

Das Ablösen des Eises nach Betätigung der Heizmatten funktioniert wie folgt beschrieben: Bauteile: (1) Eissensensormodul (kann aus mehreren Eissensoren bestehen) (2) Generator: stellt die Leistung für die Heizmatten zur Verfügung (3) Kontrollanzeige: Bedienelement für den/die Techniker/Zuständigen; besteht aus Ein/Aus-Schalter und Zustandsanzeiger (4) Rechnereinheit: steuern den Bus mit einem Master u. Slave (5) Heizmatte: erwärmt die Deckschicht bzw. die Flanken (6) Servicestecker: über den der Wart od. Techniker genaue Informationen auslesen und konfigurieren kann.

Wie aus Fig. 2 -als Schnittzeichnung durch ein Rotorblatt- zu ersehen ist, besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Heizmatten(5), die die Deckschicht(7) aufheizt. Durch diesen Temperatursprung dehnt sich die Deckschicht aus. Leicht oberhalb des Staupunktes treffen die obere und die untere Hälfte der Deckschicht aufeinander, wobei die eine Hälfte auf die andere Hälfte durch eine Rampe aufgleitet. Zwischen den „Rampen“ der Deckschicht befindet sich ein T-Stück(9), das eine lineare Führung, geringere Gleitreibung, hohe härte gegen die Abreibung und ein schnelles Austauschen dieses einzigen Verschleißteiles gewährleisten soll. Diese aufgleitende Kante der Deckschicht drückt das T-Stück und dieses eine darüberliegende Abdeckschicht/Membran(10) nach außen, stößt ins Eis und erzeugt zumindest Risse, die eine Instabilität des Eises oder das Absprengen des Eises hervorroft. Die Lagerung(l 1) kann als Gleitverbindung oder als elastische Kunststoffverbindung ausgeführt. Das gesamte System bzw. die Bauteile Deckschicht, Heizmatten und Lager sind auf eine Basisschicht(8) geklebt, um die gesamte Konstruktion besser transportieren und montieren zu können. (7) Deckschicht: schiebt die Flanken aufgrund der Erwärmung gegeneinander und schützt die Heizmatten vor FODs (8) Basisschicht: darauf sind (fast) alle Bauteile angeklebt und dient zur schnelleren Montage (9) T-Stoss: leicht austauschbarer Bauteil zwischen den Flanken (10) Abdeckschicht: mit dem T-Stoss verhindert es das Eindringen von Feuchtigkeit und Fremdkörper in das System (11) Lagerung: hält die Deckschicht in ihrer Gestalt und vermindert Beulen, soll aber die Wärmeausdehnung nicht behindern.

Fig. 3a zeigt das Enteisungssystem im wannen und damit ausgefahrenen bzw. ausgedehnten Zustand. Hier sieht man deutlich wie die Flanke ins Eis stößt und dieses ablöst.

In diesem Bild wird auch gezeigt, wie man die Vorrichtung in die Oberfläche der Windkraftanlage versenken kann und damit den aerodynamischen Widerstand minimiert.

Dies erkennt man an der Verbindung des Endes der Deckschicht(7) mit der Oberfläche der Windkraftanlage.

Bei diesem Bild wird auch die Verformung der elastischen Lagerung(l 1) und der Deckschicht(7) ersichtlich.

Fig. 3b zeigt eine weitere Optimierungsmöglichkeit durch das Versenken des T-Stoßes(9) und der Abdeckung(lO) in die Deckschicht (7) erfolgen, das hier im kalten Zustand gezeigt wird.

Claims

Ansprüche 1) Verfahren zur Beseitigung von Vereisung von Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erwärmung von Teilen der vereisten Oberfläche das Eis von der Deckschichtoberfläche durch einen Wasserfilm gelöst und gleichzeitig eine Ausdehnung des Deckschichtmaterials erzeugt wird, die eine Änderung der Oberflächenstruktur der Windkraftanlage und der Eisoberfläche erzeugt.
2) Verfahren zur Beseitigung von Vereisung von Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungsbewegung des erwärmten Vorrichtungsoberflächenteils mechanisch begrenzt wird.
3) Verfahren zur Beseitigung von Vereisung von Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die vereiste Oberfläche in zwei oder mehrere Segmente gegliedert ist.
4) Verfahren zur Beseitigung von Vereisung von Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente in einer festgelegten oder auch nicht festgelegten Reihenfolge erwärmt werden.
5) Verfahren zur Beseitigung von Vereisung von Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das System von einer Rechnerlogik überwacht wird.
6) Verfahren zur Beseitigung von Vereisung von Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch verstärkende Kraft durch eine Membrane wirkt.
7) Vorrichtung zur Beseitigung von Eis auf Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen mit einer Heizvorrichtung auf der Innenseite der Vorrichtungsoberfläche dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Teile der Vorrichtungsoberflächen auf der Windkraftanlage verschiebbar angeordnet sind.
8) Vorrichtung zur Beseitigung von Eis auf Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßstellen zwischen den verschiebbaren Teilen bzw. zwischen den verschiebbaren Teilen und der Windkraftanlage eine Abdeckung(10) aufweisen.
9) Vorrichtung zur Beseitigung von Eis auf Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach Ansprüchen 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Führung vorhanden ist (T-Stoß)(9).
10) Vorrichtung zur Beseitigung von Eis auf Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach Ansprüchen 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerung(l 1) die nur in eine Richtung verschiebbar ist, mechanische Lasten aufhimmt.
11) Vorrichtung zur Beseitigung von Vereisung auf Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach den Ansprüchen 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass eine Deckschichtseite(7) angewinkelt wird.
12) Vorrichtung zur Beseitigung von Vereisung auf Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach dem Ansprüchen 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Deckschichtoberfläche(7) auf der Rotorblätteroberfläche aufliegt oder in diese versenkt wird.
13) Vorrichtung zur Beseitigung von Eis auf Rotorblätteroberflächen von Windkraftanlagen nach Ansprüchen 7 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass auch nur eine der beiden Flanken/Hälften(7) beheizt, ausdehnbar oder vorhanden sein kann.