DE102005034131A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Enteisen von Flügeln oder Rotorblättern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Enteisen von Flügeln oder Rotorblättern Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Enteisen eines Rotorblattes (10), das eine Blattwurzel (20), eine Blattspitze (26) und eine Vorderkante (32) enthält, wobei das Rotorblatt betrieblich mit einer Nabe (16) der Turbine (100) gekoppelt ist, umfasst das Umwälzen erhitzter Luft (28) durch einen Ausströmungskanal (24) von der Blattwurzel auf die Blattspitze zu, das Zurückleiten der erhitzten Luft über einen Rückkanal (30) von der Blattspitze zu der Blattwurzel, woraufhin die zurückgeleitete, erhitzte Luft zu Rücklaufluft wird, und das Wiedererhitzen der Rücklaufluft zur weiteren Umwälzung.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Windkraftanlagen und spezieller auf Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung der Effizienz von Windkraftanlagen.
  • In der letzten Zeit ist Windkraftanlagen als im Hinblick auf die Umwelt sicheren und relativ kostengünstigen alternativen Energiequellen eine erhöhte Aufmerksamkeit zuteil geworden. Mit diesem steigenden Interesse sind erhebliche Anstrengungen zur Entwicklung von Windkraftanlagen unternommen worden, die zuverlässig und effizient sind.
  • Allgemein enthält eine Windkraftanlage einen Rotor, der ein oder mehrere Blätter aufweist. Der Rotor ist an einem Gehäuse oder einer Gondel angebracht, die oben auf einem Träger oder einem rohrförmigen Turm angeordnet ist. Die Blätter der Turbine wandeln Windenergie in ein Drehmoment oder eine Kraft um, die einen oder mehrere Generatoren antreibt, die über ein Getriebe mit dem Rotor drehbar gekoppelt sind. Das Getriebe übersetzt die bauartbedingt niedrige Drehzahl des Turbinenrotors für den Generator nach oben, um die mechanische Energie effizient in elektrische Energie umzuwandeln, die in ein Elektrizitätsversorgungsnetz eingespeist wird. Getriebelose, direkt angetriebene Turbinen existieren ebenfalls.
    •
  • Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen werden die Rotorblätter von Eis bedeckt. Eisbildung tritt typischerweise an der Vorderkante des Flügels auf und ruft eine verringerte Auftriebsfähigkeit hervor. Wenn die Eisschicht dicker wird, wird dem Flügel Gewicht hinzugefügt, so dass die Auftriebsoberfläche des Flügels verändert wird. Bei Luftturbinen kann diese Veränderung zu einer verringerten aerodynamischen Leistungsfähigkeit des Rotorblatts führen. (Bei Flugzeugtragflächen kann ein ähnlicher Verlust an Leistungsfähigkeit zu einem Absturz führen.)
  • Flügel oder Rotorblätter können aufgrund ihrer Betriebsumgebung schwer zu warten sein. Die Installation von Widerstandsheizdrähten oder anderen elektrischen Leitern auf der Vorderkante eines Flügels kann eine Ableitung für Blitze schaffen, die den Flügel unbrauchbar machen. Bei wenigstens einem bekannten Verfahren zur Verringerung der Vereisung ist eine aufblasbare Luftblase bzw. flexible Zelle mit der Vorderkante der Flügeln verbunden worden. Das Aufblasen der Luftblase verändert jedoch die Aerodynamik des Flügels oder Rotorblatts, und die Luftblase kann zumindest in einigen Umgebungen selbst Gegenstand von Ermüdung und Ausfall sein oder werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Verfahren zum Enteisen eines Rotorblattes geschaffen, das eine Blattwurzel, eine Blattspitze und eine Vorderkante aufweist. Das Rotorblatt ist betrieblich an eine Nabe der Turbine gekoppelt. Das Verfahren beinhaltet es, erhitzte Luft durch einen Ausströmungskanal von der Blattwurzel in Richtung zu der Blattspitze zu leiten bzw. in Umlauf zu versetzen und die erhitzte Luft durch einen Rückkanal von der Blattspitze zu der Blattwurzel zurückzuleiten, woraufhin die zurückgeleitete erhitzte Luft zu Rücklaufluft wird, und die Rücklaufluft zur weiteren Umwälzung wieder zu erhitzen.
  • In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Enteisungsvorrichtung geschaffen, die eine Turbine oder Maschine enthält, die eine Nabe und ein betrieblich mit der Turbine oder Maschine gekoppeltes Rotorblatt aufweist, das eine Blattwurzel, eine Vorderkante, eine Spitze, einen Ausströmungskanal darin von der Blattwurzel zu der Blattspitze und einen Rückkanal von der Blattspitze zu der Blattwurzel enthält. Der Rückkanal ist zum Zurückleiten der durch den Auswärtsströmungskanal strömenden Luft zurück zu der Blattwurzel eingerichtet. Die Enteisungsvorrichtung enthält auch eine Heizeinheit, die zum Leiten erhitzter Luft durch den Ausströmungskanal und zum Wiedererhitzen der zurückgeleiteten Luft eingerichtet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung eine Windkraftanlage, die einen Rotor aufweist. Der Rotor enthält wenigstens ein Blatt. Die Windkraftanlage weist auch ein Wärmekamerasystem auf, das eine zum Erkennen von Wärmestrahlung von einer Vorderkante des Rotorblatts eingerichtete Wärmekamera enthält, um zu festzustellen, ob an der Vorderkante des Rotorblatts Vereisung vorliegt.
  • Es wird erkannt, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine wirksame Erkennung von Eis auf Rotorblättern und/oder eine wirksame Enteisung von Rotorblättern ermöglichen.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Zeichnung einer beispielhaften Windkraftanlage, bei der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines für verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung repräsentativen Windkraftanlagenrotorblattes, wobei die Ansicht Luftumlaufkanäle zeigt.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht des Windkraftanlagenrotorblatts aus 2 entlang der Linie 3--3, wobei die Ansicht die Luftumlaufkanäle und die in einigen Ausführungsformen vorhandene Isolierung genauer zeigt.
  • 4 zeigt eine andere Ansicht des Windkraftanlagenrotorblattes aus 3.
  • 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlagenanordnung, die eine Wärmekamera zum Erkennen von Vereisung auf der Vorderkante eines Flügels verwendet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit Bezug auf die 1, 2 und 4: In einigen Ausführungsformen verwendet die vorliegende Erfindung eine Blatterwärmung zum Enteisen der Flügel oder des bzw. der Rotorblätter 10 einer Windkraftanlage 100. Eine Gondel 102 der Windkraftanlage 100 kann auf einem hohen Turm 104 angebracht sein, von dem in 1 nur ein Teilabschnitt gezeigt ist. Eine mit einem Gebläse 14 gekoppelte Widerstandsheizeinheit 12 ist in einer Nabe 16 einer Windkraft anlage 100 oder in der Nähe einer Blattwurzel 20 angebracht. Erhitzte Luft 22 wird durch einen Ausströmungskanal 24 von der Blattwurzel 20 zu der Blattspitze 26 geleitet und danach durch einen Rückkanal 30 von der Blattspitze 26 zu der Blattwurzel 20 zurückgeleitet 28, woraufhin die Heizeinheit 12 die Rücklaufluft 28 wieder erhitzt. Auf diese Weise isoliert die warme Rücklaufluft 28 die heiße, auswärts strömende Luft 22, und die Wärme wird in erster Linie in der Vorderkante 32 des Rotorblatts 10 verteilt. Mit Bezug auf 3: In einigen Ausführungsformen kann eine Isolierung 34 einer Außenwand 36 des Rücklaufkanals 30 hinzugefügt werden, um die Wärmeübertragung auf die Vorderkante 32 zu optimieren. Elektrische Energie wird der Widerstandsheizeinheit 12 und dem Gebläse 14 über einen Schleifring (nicht gezeigt) zugeführt, so dass die Drehung der Nabe 16 (und damit des Rotorblattes 10) nicht behindert wird.
  • Dementsprechend enthält das Rotorblattenteisungssystem 10 in einigen Ausführungsformen wenigstens ein Heizelement 12, das nahe bei entweder einer Rotorblattwurzel 20 oder der Nabe 16 angeordnet ist. Das Heizelement 12 ist mit einem Gebläse oder Ventilator 14 gekoppelt, um die erhitzte Luft 22 von dem oder den Heizelementen 12 in Umlauf zu versetzen. Die erhitzte Luft 22 wird dann in einen „c"-Kanal 24 geleitet, der entlang der Vorderkante 32 des Rotorblattes 10 installiert ist. Der „c"-Kanal 24 ist innerhalb des Rotorblattes 10 angeordnet. Weiterhin bildet der „c"-Kanal 24 eine Röhre, weil er mit der Innenseite der Vorderkante 32 des Rotorblattes 10 verbunden oder auf andere Weise an dieser befestigt ist. Dementsprechend strömt bei einigen Ausführungsformen die erhitzte Luft 22 von der Heizeinheit 12 entlang der Vorderkante 32 des Rotorblattes 10 innerhalb einer darin enthaltenen Röhre 24. Erhitzte Luft 22 strömt von der Wurzel 20 des Rotorblattes 10 auf die Spitze 26 zu. Wenn die erhitzte Luft 22 die Spitze 26 oder einen Punkt in der Nähe der Spitze 26 erreicht, wird ihre Strömungsrichtung umgekehrt, indem der Fluss durch eine Rücklaufröhre 30 geleitet wird, die eine „C"-Hülle des „c"-Kanals 24 bildet. Demnach ist die Wirkung in einigen Ausführungsformen tatsächlich ähnlich zu einer Röhre innerhalb einer Röhre oder einer geschichteten Röhre mit der heißesten Luft im Inneren und der kühleren Rücklaufluft an der Außenseite. Vorteilhafterweise isoliert die erhitzte Luft 28 von dem Rücklaufpfad 30 teilweise die erhitzte Luft 22 in dem auswärts strömenden Pfad 24, und die zurücklaufende, erhitzte Luft 28 wird wieder erhitzt, d.h. die erhitzte Luft befindet sich in einem geschlossenen oder nahezu geschlossenem Kreislauf.
  • In einigen Ausführungsformen bildet der „c"-Kanal 24 eine Röhre, weil er an die innere Oberfläche der Vorderkante 32 des Rotorblattes 10 gebunden ist. Wenn hierin die Bezeichnung „c" als Kleinbuchstabe verwendet verwendet wird, so bezieht sie sich auf eine innere Röhre 24, die die heißeste Austrittsluft 22 aus der Heizeinheit 12 enthält, wohingegen sich die Bezeichnung „C" als Großbuchstabe auf die Umhüllung oder äußere Röhre 30 bezieht, die einen Rücklaufpfad einschließt und vergleichsweise kühlere Luft 28 enthält. Die äußere „C"-Hülle 30 ist in einigen Ausführungsformen isoliert 34, um die Wärmeverluste in das Innere des Rotorblattes 10 zu verringern. Die in vielen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete „c"- oder „C"-Form erhöht in vorteilhafter Weise die Wärmeübertragung zu der Vorderkante 32 des Rotorblattes 10 oder optimiert diese.
  • Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen können eine höhere Temperatur und/oder ein größeres Volumen von erhitzter Luft zum Schmelzen von Eis auf dem Blatt erforderlich sein. Daher sind die Heizeinheit 12 und/oder das Gebläse 14 bei einigen Ausführungsformen einstellbar, um entweder das Volumen der erhitzten Luft oder die Temperatur der erhitzten Luft oder beide im Einklang mit den atmosphärischen Umgebungsbedingungen einzustellen, um Eis zu schmelzen.
  • Mit Bezug auf 5: In einigen weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird Eis unter Verwendung eines Wärmekamerasystems 40 erkannt, das eine Wärmekamera enthält, die auf die Vorderkante 32 des Rotorblattes 10 gerichtet und zum Erkennen von Wärmestrahlung von der Vorderkante 32 eingerichtet ist. Das System ist zur Verwendung von Sensoren (nicht gezeigt) zum Erkennen oder auf andere Weise Schätzen oder Ableiten von physikalischen Parametern eingerichtet, die die Wärmeabgabe, Luftdurchsatzmenge, Wärmeleitfähigkeit und/oder atmosphärische Bedingungen (wie z.B. Temperatur und/oder Windgeschwindigkeit) enthalten können. Diese Schätzungen oder Messwerte von thermischen Parametern werden zusammen mit der erkannten Strahlung 44 von dem Wärmekamerasystem 40 verwendet, um Vereisung auf der bzw. den Vorderkanten 32 des bzw. der Rotorblätter 10 festzustellen. Auf den Vorderkanten 32 der Rotorblätter 10 angebrachte Farbe 42 (z.B. schwarze Farbe) ermöglicht es in einigen Ausführungsformen, dass eine Vereisung mit der Wärmekamera 40 erkannt wird, ohne dass die Blätter 10 vorgeheizt werden müssen.
  • In einigen Ausführungsformen werden spezielle Vorderkantenbereiche eines Rotorblattes erhitzt. Z.B, wird in einigen Ausführungsformen ein Linear- oder Rotationsaktuator für die innere(n) „c"-Röhre(n) geschaffen. Heiße Austrittsluft, die durch die Umhüllung auswärts fließt, wird unter Verwendung des Aktuators zum Bewegen oder Drehen der inneren „c"-Röhre zur Ausrichtung an einem ausgewählten Röhrenkanalschlitz bzw. Duct Slot über einen ausgewählten Pfad zurückgeleitet.
  • Ein Verfahren zum Enteisen eines Rotorblattes 10, das eine Blattwurzel 20, eine Blattspitze 26 und eine Vorderkante 32 enthält, wobei das Rotorblatt betrieblich mit einer Nabe 16 der Turbine 100 gekoppelt ist, umfasst das Umwälzen erhitzter Luft 28 durch einen Ausströmungskanal 24 von der Blattwurzel auf die Blattspitze zu, das Zurückleiten der erhitzten Luft über einen Rückkanal 30 von der Blattspitze zu der Blattwurzel, woraufhin die zurückgeleitete, erhitzte Luft zu Rücklaufluft wird, und das Wiedererhitzen der Rücklaufluft zur weiteren Umwälzung.
  • Es wird folglich erkannt, dass vielfältige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Enteisen und/oder Erkennen von Vereisung auf Rotorblättern und Flügeln wirksam und insbesondere im Zusammenhang mit Windkraftanlagen nützlich sind.
  • Obwohl die Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung mit Abwandlungen innerhalb des Geistes und Bereiches der Ansprüche angewandt werden kann.
    • 10
    Rotorblatt
    12
    Heizeinheit
    14
    Gebläse
    16
    Nabe
    20
    Blattwurzel
    22
    Erhitzte Luft
    24
    Ausströmungskanal, „C"-Kanal
    26
    Blattspitze
    28
    Rücklaufluft
    30
    Rückkanal
    32
    Vorderkante
    34
    Isolierung
    36
    Außenwand
    40
    Wärmekamerasystem
    42
    Farbe
    44
    Strahlung
    100
    Windkraftanlage
    102
    Gondel
    104
    Turm

Claims (10)

  1. Enteisungsvorrichtung, die aufweist: eine Turbine (100) oder Maschine, die eine Nabe (16) aufweist, ein Rotorblatt (10), das betrieblich mit der Turbine oder Maschine gekoppelt ist und eine Blattwurzel (20), eine Vorderkante (32), eine Spitze (26), einen Ausströmungskanal (24) darin von der Blattwurzel zu der Blattspitze und einen Rückkanal (30) von der Blattspitze zu der Blattwurzel aufweist, wobei der Rückkanal zum Zurückleiten von Luft (28), die durch den Ausströmungskanal fließt, zurück zu der Blattwurzel eingerichtet ist, und eine Heizeinheit (12), die dazu eingerichtet ist, erhitzte Luft (22) durch den Ausströmungskanal zu leiten und die zurückgeleitete Luft wieder zu erhitzen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Ausströmungskanal (24) nahe bei einer Vorderkante (32) des Rotorblattes (10) liegt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Außenwand (36) des Rückkanals (30) isoliert ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Ausströmungskanal (24) ein „c"-Kanal entlang der Vorderkante (32) des Rotorblattes (10) ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der „c"-Kanal (24) innerhalb des Rotorblattes (10) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der „c"-Kanal (24) an die Vorderkante (32) des Rotorblattes (10) gebunden oder an dieser befestigt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Rückkanal (30) eine „C"-Umhüllung des „c"-Kanals enthält.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Heizeinheit (12) einstellbar ist.
  9. Windkraftanlage (100), die einen wenigstens ein Blatt (10) enthaltenden Rotor aufweist, wobei die Windkraftanlage weiterhin ein Wärmekamerasystem (40) enthält, das eine zum Erkennen von Wärmestrahlung (44) von einer Vorderkante (32) des wenigstens einen Rotorblattes eingerichtete Wärmekamera enthält, um Vereisung an einer Vorderkante des wenigstens einen Rotorblattes festzustellen.
  10. Windkraftanlage (100) nach Anspruch 9, bei der die Vorderkante (32) schwarz angestrichen ist.
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