-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage sowie
eine Windenergieanlage mit einem entsprechenden Rotorblatt.
-
Bei
Windenergieanlagen ist es insbesondere in der kalten Jahreszeit
wünschenswert,
eine Vereisung an den Rotorblättern
festzustellen, um geeignete Maßnahmen
zur Enteisung vorzunehmen. Eine Vereisung der Rotorblätter ist
nicht erwünscht,
da sich durch die Vereisung das Gewicht der Rotorblätter erhöht. Ferner
können
sich von dem Rotorblatt lösende
Eisbrocken während
des Betriebes einer Windenergieanlage zu gefährlichen Geschossen werden
und Personen- oder Sachschäden
verursachen. Des Weiteren können
sich von dem Rotorblatt lösende
Eisbrocken zu einer Unwucht der Rotorblätter führen, was schließlich dazu
führen
kann, dass die Anlage abgeschaltet werden muss. Ein Abschalten der
Anlage ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht.
-
Um
dies zu verhindern, weisen viele Windenergieanlagen eine Heizvorrichtung
für die
Rotorblätter
auf, um einen Eisansatz zu verhindern. Ferner können die Windenergieanlagen
auch bei einem entsprechenden Eisansatz abgeschaltet werden. Hierbei
muss jedoch ein Eisansatz sicher erkannt werden.
-
Bei
bekannten Sensorsystemen zur Erfassung eines Eisansatzes an einem
Rotorblatt einer Windenergieanlage sind die entsprechenden Sensoren
an der Gondel der Anlage installiert. Somit kann jedoch keine direkte
Vergleichbarkeit der Strömungs- und
Vereisungsbedingungen erreicht werden, da an dem Rotorblatt andere
Strömungsbedingungen
herrschen.
-
Aus
der
DE 202 06 704 ist
ein Eissensor für eine
Windenergieanlage bekannt. Der Eissensor wird in der Nähe der Rotorblattspitzen
angeordnet. Die ermittelten Daten werden unter Berücksichtigung
der meteorologischen Rahmenbedingungen verarbeitet, um entsprechende
Maßnahmen
ergreifen zu können.
-
Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage
vorzusehen, welches zwischen Ablagerungen wie Schmutz und einen
Eisansatz unterscheiden kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Rotorblatt gemäß Anspruch 1 sowie durch eine
Windenergieanlage gemäß Anspruch
11 gelöst.
-
Somit
wird ein Rotorblatt für
eine Windenergieanlage mit einer Rotorblattnase vorgesehen. Im Bereich
der Rotorblattnase wird eine Ablagerungs-Sensorvorrichtung angeordnet. Diese
Ablagerungs-Sensorvorrichtung weist einen Sender zum drahtlosen
Senden von Signalen über
eine Übertragungsstrecke
und einen Empfänger
zum Empfangen der drahtlos über
die Übertragungsstrecke übermittelten
Signale auf. Anhand der über
die Übertragungsstrecke übermittelten
Signale können
Ablagerungen auf der Oberfläche
im Bereich der Übertragungsstrecke
erfasst werden.
-
Somit
wird ein Rotorblatt mit einer Ablagerungs-Sensorvorrichtung vorgesehen,
welches in der Lage ist, Ablagerungen auf der Oberfläche des
Rotorblattes schnell und sicher zu erfassen.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Rotorblatt oder die
Windenergieanlage eine Vergleichseinrichtung auf, welche dazu dient,
die von dem Sender gesendeten und von dem Empfänger empfangenen Signale zu
vergleichen, um Änderungen
festzustellen. Durch das Feststellen der Veränderun gen der übertragenen
Signale kann unmittelbar festgestellt werden, inwieweit sich das Übertragungsverhalten
der Übertragungsstrecke
verändert,
so dass unmittelbar Ablagerungen erfasst werden können.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Vergleichseinrichtung
einen Speicher zum Speichern der erfassten Veränderungen der empfangenen Signale
auf, so dass eine Datenbank erstellt wird. Anhand der Datenbank
können
Rückschlüsse auf
die Häufigkeit
und die Bedingungen beim Auftreten von Ablagerungen ermittelt werden.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Ablagerungs-Sensorvorrichtung
eine optische Sensorvorrichtung dar. Die Erfassung von Ablagerungen
erfolgt somit basierend auf optischen Signalen, so dass es nicht
zu einer Wechselwirkung mit den elektronischen und elektrischen
Komponenten der Windenergieanlage kommt.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Sender eine
Auskopplungslinse und der Empfänger
eine Einkopplungslinse auf. Somit kann die Effektivität der Übertragung der
optischen Signale verbessert werden.
-
Gemäß. einem
weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind sowohl
der Sender als auch der Empfänger
jeweils über
Lichtwellenleiter mit der Vergleichseinrichtung verbunden. Somit
können
elektrische Leitungen in dem Rotorblatt vermieden werden, um somit
den Blitzschutz weiter zu verbessern.
-
Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Nachfolgend
werden die Erfindung sowie deren Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
-
1 zeigt
eine Vorderansicht einer Windenergieanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
-
2 zeigt
eine Schnittansicht eines Abschnittes eines Rotorblattes der Windenergieanlage von 1,
-
3 zeigt
eine Draufsicht eines Abschnittes eines Rotorblattes von der Windenergieanlage von 1,
und
-
4 zeigt
eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Rotorblattes einer Windenergieanlage gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
-
1 zeigt
eine Vorderansicht einer Windenergieanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die Windenergieanlage weist dabei einen Turm 10, eine Gondel 20 sowie
drei Rotorblätter 30 auf.
An jedem der Rotorblätter
ist ein Ablagerungssensor 1 angeordnet. Vorzugsweise ist
der Ablagerungssensor 1 an der Rotorblattnase angeordnet.
Die Ablagerungssensoren 1 sind jeweils über Lichtwellenleiter 2 mit
einer Vergleichseinrichtung 3 verbunden.
-
2 zeigt
eine Schnittansicht eines Abschnittes eines Rotorblattes 30 der
Windenergieanlage von 1. Hierbei ist insbesondere
der Abschnitt des Rotorblattes im Bereich des Ablagerungssensors 1 gezeigt.
Der Ablagerungssensor ist im Bereich der Rotorblattnase 31 des
Rotorblattes 30 angebracht. Der Ablagerungssensor 1 besteht
im Wesentlichen aus einem optischen Sender 11 und einem
optischen Empfänger 12.
Der optische Sender 11 ist mit einer Auskopplungslinse 11a und
der optische Empfänger 12 ist
mit einer Einkopplungslinse 12a versehen. Der optische
Sender 11 und der optische Empfänger 12 sind jeweils über Lichtwellenleiter 11b, 12b, 2 mit
der Vergleichseinrichtung 3 verbunden. Zwischen der Auskopplungslinse 11a und
der Einkopplungslinse 12a ist eine optische Übertragungsstrecke 13 vorgesehen.
Diese optische Übertragungsstrecke
verläuft im
Wesentlichen parallel zur Oberfläche
der Rotorblattnase 31.
-
Somit
wird der Ablagerungssensor 1 direkt an dem Rotorblatt der
Windenergieanlage angebracht, so dass die entsprechenden Ablagerungen wie
zum Beispiel die Verschmutzung und Vereisung direkt am Rotorblatt
ermittelt werden können.
Vorzugsweise werden die Ablagerungssensoren im äußeren Drittel des Rotorblattes
(siehe 1) angeordnet, da hier eine höhere Sicherheit Blattes (siehe 1)
angeordnet, da hier eine höhere
Sicherheit der Erkennung von Ablagerungen wie beispielsweise Verschmutzungen
und Vereisungen besteht. Zusätzlich
dazu können
weitere Ablagerungssensoren 1 an weiteren Stellen an dem
Rotorblatt angeordnet werden, so dass ein mehrfach redundantes System
erhalten werden kann.
-
Da
elektrische Leitungen in einem Rotorblatt einer Windenergieanlage
nicht wünschenswert
hinsichtlich des Blitzschutzes sind, wird das erfindungsgemäße Sensorsystem
im Wesentlichen in zwei Teile, nämlich
den tatsächlichen
Sensor und die Auswerteeinheit, eingeteilt. Vorzugsweise wird dabei
die Vergleichseinheit in der Blattwurzel des Rotorblattes oder an
einem drehenden Teil des Maschinenhauses angeordnet. Der optische
Sensor und Empfänger wird
hingegen am Rotorblatt selbst angeordnet. Die Übertragung des Lichtsignals
von der Vergleichseinrichtung zu dem optischen Empfänger erfolgt
vorzugsweise über
Lichtwellenleiter, so dass weitere elektrische Leitungen in dem
Rotorblatt vermieden werden können.
Alternativ dazu kann die Vergleichseinrichtung auch direkt in oder
an dem Ablagerungssensor 1 angeordnet werden, soweit ein
geeigneter Blitzschutz vorgesehen wird.
-
Vorzugsweise
werden die Verbindungen zwischen dem optischen Sender 11 und
dem optischen Empfänger 12 und
den jeweiligen Lichtwellenleitern 11b, 12b, 2 mittels
Steckkontakten oder mittels einer Verschraubung gewährleistet.
Somit kann der Ablagerungssensor 1 auf eine einfache Art
und Weise ausgetauscht werden, ohne dass dabei das gesamte Rotorblatt
ausgetauscht werden muss.
-
Wie
in 2 gezeigt, weist der Ablagerungssensor 1 vorzugsweise
eine Auskoppellinse 11a und eine Einkoppellinse 12a auf,
um eine geringe Dämpfung
des Lichtstrahls zwischen dem optischen Sender 11 und dem
optischen Empfänger 12 zu
ermöglichen.
Sobald sich Ablagerungen in der optischen Übertragungsstrecke 13 absetzen,
wird das Übertragungsverhalten
dieser Übertragungsstrecke 13 verändert, was
durch die Vergleichseinrichtung 3 erfasst werden kann.
-
3 zeigt
eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Rotorblattes von 1 im
Bereich des Ablagerungssensors 1. Hierbei ist der Ablagerungssensor 1 fest
mit der Rotorblattnase 31 des Rotorblattes 30 verbunden.
Dies kann durch Ver schrauben oder Verkleben erfolgen. Hierbei ist
die optische Übertragungsstrecke
13 im Wesentlichen parallel zur Rotorblattnase in Rotorblattlängsrichtung
ausgerichtet. Vorzugsweise sollte die Position des optischen Senders 11 und
des optischen Empfängers
12 im Bereich des Profilstaupunktes angeordnet sein, da dies die
wahrscheinlichste Stelle für
eine beginnende Ablagerung darstellt. Die in 3 gezeigte äußere Formgebung
des Ablagerungssensors 1 gewährleistet eine verlustarme
Umströmung
des Ablagerungssensors 1. Ferner trägt sie im Bereich des Luftspaltes,
d. h. der optischen Übertragungsstrecke 13, durch
die kanalisierende Wirkung auf die Umströmung der Rotorblattnase dazu
bei, Verschmutzungen an dem optischen Sender und Empfänger zu
vermeiden. Aufgrund der besonderen Formgebung des Ablagerungssensors
sind die Richtungsvektoren der Strömung nie direkt in Richtung
des optischen Senders 11 und des optischen Empfängers 12 bzw.
deren Ein- oder Austrittsstellen gerichtet.
-
Vielmehr
sind die Richtungsvektoren der Strömung im Wesentlichen senkrecht
dazu angeordnet. Die durch die optische Übertragungsstrecke 13 entstehende
Einkerbung des Ablagerungssensors 1 in der Nasenkontur
sollte vorzugsweise breit genug sein, um die Entstehungsmechanismen
bei der Entstehung beispielsweise von Eis nicht merklich zu verändern und
schmal genug, um eine möglichst
geringe Dämpfung
oder Beeinflussung des Lichtstrahles in der optischen Übertragungsstrecke 13 durch
Verschmutzung oder Verformung des Blattes zu gewährleisten.
-
Um
den Einfluss von dem einfallenden Sonnenlicht auf den optischen
Empfänger 12 zu
verringern, wird der über
die Übertragungsstrecke 13 übermittelte
Lichtstrahl vorzugsweise gepulst. Durch eine weitere Miniaturisierung
des Ablagerungssensors 1 kann bei einer entsprechenden
Anordnung eine rastergesteuerte Eisdickenmessung realisiert werden.
-
3 zeigt
eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer Rotorblattnase eines Rotorblattes
für eine
Windenergieanlage gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
Hierbei beruht der Ablagerungssensor 1 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel auf
dem gleichen Funktionsprinzip wie der Ablagerungssensor 1 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel,
d. h. es wird ein optischer Sender 16, ein optischer Empfänger 17 sowie
eine optische Übertragungsstrecke 18 zwischen
dem Sender 16 und dem Empfänger 17 vorgesehen.
Während
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Abstandssensor im Wesentlichen an die Kontur der Rotorblattnase
angepasst ist, ist der Ablagerungssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
durch nadelförmige bzw.
pinförmige
aus der Profilnase bzw. der Rotorblattnase austretende Lichtwellenleiter
implementiert.
-
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird
der Ablagerungssensor 1 durch zwei aus der Oberfläche des
Rotorblattes hinausragende pinförmige
Lichtwellenleiter 14, 15 mit einem seitlichen Strahlaustritt
realisiert. Durch die Umlenkung des Lichtstrahles um 90° mittels
entsprechender Linsen bzw. Prismen lassen sich Lichtwellenleiter
im Inneren des Rotorblattes bis an die Unterseite der Linsen 14, 15 führen. Der
Lichtstrahl wird dann an die Linse angekoppelt und von der Linse
bzw. dem Prisma um 90° umgelenkt,
so dass sich der Lichtstrahl im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des
Rotorblattes über
die optische Übertragungsstrecke 18 von
dem optischen Sender 16 zum optischen Empfänger 17 erstrecken
kann. Der optische Empfänger 17 weist ebenfalls
eine Linse bzw. ein Prisma auf, um den Lichtstrahl um 90° umzulenken
und in den rückführenden
Lichtwellenleiter einzukoppeln.
-
Im
Wesentlichen entspricht der prinzipielle Aufbau des Ablagerungssensors 1 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
dem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
ist der Aufbau jedoch wesentlich einfacher ausgestaltet. Ferner
ist eine Veränderung
des Rotorblattes an seiner Nasenkontur nur noch in einem sehr geringen
Umfang notwendig. Vorzugsweise werden der optische Sender 16 und
der optische Empfänger 17 mit
den entsprechenden Linsen zur 90°-Umlenkung
verschraubbar oder steckbar ausgestaltet, so dass sie ohne Weiteres
bei Bedarf ausgetauscht werden können.
-
Vorzugsweise
sind der optische Sender 16 und der optische Empfänger 17 nicht
genau im vordersten Punkt der Blattnase angeordnet, sondern geringfügig dazu
versetzt. Mit anderen Worten: der Ablagerungssensor 1 ist
nicht im vordersten Bereich der Blattnase, d. h. der Nasenlinie,
angeordnet. Der Ablagerungssensor 1 kann somit im Bereich
der Blattnase angeordnet sein.
-
Vorzugsweise
sollte der Ablagerungssensor gemäß dem ersten
oder zweiten Ausführungsbeispiel
im Bereich der Rotorblattnase im Bereich des Staupunktes angeordnet
sein. Der Staupunkt stellt dabei den Punkt dar, an dem die Luftströmung auf das
Blatt auftritt und sich dann in eine erste Strömung entlang der Saugseite
und eine zweite Strömung
entlang der Druckseite aufteilt. Im Bereich dieses Staupunktes wird
ein Eisansatz beginnen und sich dann nach einem Zufallsmuster weiter
aufbauen. Eine präzise
Vorhersage über
die Position des Staupunktes kann nicht getroffen werden, da dieser
auch abhängig
von dem Anstellwinkel des Rotorblattes ist.
-
Die
Höhe des
optischen Senders 16 und des optischen Empfängers 17 bzw.
deren Linsen kann über
der Rotorblattoberfläche
einstellbar ausgestaltet werden. Dies kann dadurch erreicht werden,
dass der optische Sender 16 und der optische Empfänger 17 mehr
oder weniger weit aus der Rotorblattoberfläche herausragen. Der Abstand
zwischen dem optischen Sender 16 und dem optischen Empfänger 17 kann zwischen
10 bis 100 mm, vorzugsweise 20 bis 50 mm, betragen. Der Abstand
zwischen dem Lichtstrahl zwischen dem optischen Sender 16 und
dem optischen Empfänger 17 und
der Rotorblattoberfläche
(d.h. der Abstand des Lichtstrahls von der Rotorblattoberfläche) beträgt zwischen
2 bis 10 mm und vorzugsweise 5 bis 6 mm. Der Abstand zwischen der Oberfläche des
Rotorblattes und dem Lichtstrahl zwischen dem optischen Sender und
Empfänger
bestimmt die detektierbare Eisdicke. Eine Eisdicke unter 2 mm kann
dabei unbeachtet bleiben, während eine
dickere Eisschicht als vorzugsweise 5–6 mm zu erheblichen Problemen
führen
kann.
-
Um
ein vereinfachtes Austauschen der Linse zu ermöglichen, können Buchsen in dem Rotorblatt vorgesehen
werden, in welche eine Linse, d. h. ein optischer Sender oder ein
optischer Empfänger,
eingesetzt werden kann. Vorzugsweise ist zwischen der Buchse und
den optischen Sendern und optischen Empfängern eine formschlüssige Verbindung
wie beispielsweise ein Bajonettverschluss vorgesehen. Alternativ
bzw. zusätzlich
dazu können
die Buchsen und der optische Sender und der optische Empfänger miteinander
verschraubt werden. Dies ist insbesondere dahingehend vorteilhaft,
als dass die optischen Empfänger
und optischen Sender stabiler gegen einen Eisansatz geschützt sind
und nicht wäh rend
eines Abtauvorganges vom Blatt herausgerissen werden und mit dem
Eis nach unten stürzen.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel basierend
auf dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel
kann die Vergleichseinrichtung 3 einen Speicher aufweisen,
in dem charakteristische Ablagerungen gespeichert werden, so dass
diese bei Betrieb mit den tatsächlich
erfassten Werten verglichen werden können. Somit kann beispielsweise
unterschieden werden, ob es sich bei den Ablagerungen lediglich
um eine Verschmutzung durch Vogeldreck oder Staub handelt oder ob
es sich um eine ansetzende Eisbildung handelt. Zusätzlich dazu
kann die Vergleichseinrichtung 3 weitere Daten aus der
Umgebung der Windenergieanlage verarbeiten. Diese Daten können beispielsweise
Temperaturdaten darstellen, so dass beispielsweise der Ablagerungssensor 1 ab
einer Temperatur von 3°C
abgeschaltet werden kann, da ab derartigen Temperaturen nicht mit
einem Eisansatz zu rechnen ist.
-
Ferner
kann die Vergleichseinrichtung einen Datenbankspeicher aufweisen,
in welchem die erfassten Veränderungen
gespeichert und ggf. ausgewertet werden können, um beispielsweise ein
Vereisungsmuster feststellen zu können, um ggf. eine entsprechende
Früherkennung
zu ermöglichen.
-
Die
Vergleichseinrichtung kann auch außerhalb des Rotorblattes, beispielsweise
im Bereich der Nabe, angeordnet sein, was den Vorteil hat, dass
keine elektrischen Leitungen in dem Rotorblatt verlegt werden müssen. In
einem derartigen Fall weist das Rotorblatt im Übergangsbereich zur Nabe eine(n) entsprechende
Verbindung bzw. Anschluss auf, um den Ablagerungssensor mit der
Vergleichseinrichtung zu koppeln. Somit kann erreicht werden, dass lediglich
Lichtwellenleiter in dem Rotorblatt verlegt werden müssen, was
sich insbesondere hinsichtlich des Blitzschutzes als vorteilhaft
erweist.