DE102006032387A1

DE102006032387A1 - Windenergieanlage mit Eisdetektionseinrichtung

Info

Publication number: DE102006032387A1
Application number: DE102006032387A
Authority: DE
Inventors: Jochen Fuglsang-Petersen
Original assignee: Repower Systems SE
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-24

Abstract

Windenergieanlage mit mindestens einem Rotorblatt (10), wobei eine Eisdetektionseinrichtung mit wenigstens einem Laser (60, 61), dessen ausgesendeter wenigstens einer Laserstrahl (80, 81) wenigstens abschnittsweise im Bereich (40) einer bei Eis bildenden Klimabedingungen zur Eisbildung neigenden Oberfläche (40) eines Bauteils verläuft und mit aus der Oberfläche ausgebildetem Eis des Bereichs wechselwirken kann, und mit wenigstens einem Sensor (70, 71), der in dem Strahlengang des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) angeordnet ist und der Änderungen physikalischer Eigenschaften des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) detektiert, ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit mindestens einem Rotorblatt sowie ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage und ein Verfahren zur Detektion einer Eisschicht auf einer Oberfläche eines Rotorblattes einer Windenergieanlage.
Mit der zunehmenden Anzahl an Windenergieanlagen, die in vereisungsgefährdeten Gebieten aufgestellt werden, erhöht sich die Gefahr der Beschädigung der Windkraftanlage durch das zusätzliche Gewicht des Eises an den Rotorblättern und Gittertürmen. Ebenso kann es aufgrund abfallender oder weg geschleuderter Eisfragmente zu Beschädigungen in der unmittelbaren Umgebung der Windkraftanlage kommen.
Gemäß dem Stand der Technik wird zur Vermeidung von Schäden durch Eisbildung ständig die Wetterlage durch eine Wetterstation auf dem Maschinenhaus der Windenergieanlage bestimmt, und bei Eis bildenden Wetterbedingungen wird die Windenergieanlage abgeschaltet. Nachteilig daran ist die Ungenauigkeit der Messung, die daraus resultiert, dass nicht die tatsächliche Eisschicht gemessen wird, sondern indirekt Rückschlüsse auf sie über die Messung von meteorologischen Parametern getroffen werden.
Bei großen Anlagen im Multimegawattbereich entsteht ein zusätzliches Problem durch die Höhe der Anlage. Das Maschinenhaus selbst kann bereits in Höhen von über 100 Metern angeordnet sein, während die Rotorblätter eine Länge von über 60 Metern haben können. In dieser Größenordnung kann die Spitze des über der Anlage drehenden Rotorblattes in die unteren Wolkenschichten eindringen, wo spezifische Wetterbedingungen vorherrschen, die von den durch die Wetterstation bestimmten Wetterbedingungen auf dem Maschinenhaus verschieden sind. Es kann zu Vereisungen der Rotorblattspitze kommen, obwohl die gemessenen meteorologischen Daten in der Höhe des Maschinenhauses kein Eis bildendes Umfeld erkennen lassen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windenergieanlage mit einer zuverlässigen Eisdetektionseinrichtung, sowie ein Rotorblatt mit einer zuverlässigen Eisdetektionseinrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Eisschicht auf einer Oberfläche eines Rotorblattes zur Verfügung zu stellen.
Hinsichtlich der Windenergieanlage wird die Aufgabe durch eine Windenergieanlage mit mindestens einem Rotorblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt. Ein Laser ist neben einer bei Eis bildenden Wetterbedingungen zur Eisbildung neigenden Oberfläche eines Bauteils angeordnet und der von ihm ausgesendete Laserstrahl verläuft wenigstens abschnittsweise im Bereich der Oberfläche, wobei der Laserstrahl mit auf der Oberfläche ausgebildetem Eis des Bereichs wechselwirkt. Der Laser wirkt mit wenigstens einem Sensor zusammen, der im Strahlengang des nicht wechselwirkenden Laserstrahls angeordnet ist und der Änderungen der Intensität und der Änderungen der physikalischen Eigenschaft des Laserstrahls detektiert, die durch die Wechselwirkung mit dem Eis hervorgerufen werden.
Die erfindungsgemäße Eisdetektionseinrichtung erlaubt die vorteilhafterweise direkte Eisdetektion.
Vorzugsweise ist der Laserstrahl in dem zur Eisbildung neigenden Bereich in einem Abstand parallel zur Oberfläche geführt, wo das Eis in den Strahlengang des Laserstrahls ragt. Durch die parallele Laserstrahlführung ist die Eiserkennung über die gesamte Oberfläche in gleicher Weise möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei Laserstrahlen in dem zur Eisbildung neigenden Bereich parallel zueinander und zur Oberfläche geführt, und sie weisen verschiedene Abstände zur Oberfläche auf, und jedem der Laserstrahlen ist ein eigener Sensor zugeordnet, der eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des Laserlichts des jeweiligen Laserstrahls, insbesondere seiner Intensität, einzeln detektiert. Zur Erzeugung der beiden Laserstrahlen sind günstigenfalls zwei separate Laser an der Oberfläche angeordnet. Es ist auch denkbar, genau einen Laser vorzusehen, dessen Laserstrahl in einem Strahlteiler geteilt wird. Durch die unterschiedliche Beabstandung der wenigstens zwei Laserstrahlen von der Oberfläche ist zusätzlich eine Bestimmung der Eisdicke in dem Bereich möglich. Damit ließe sich ein zweistufiger Betrieb der Anlage unter Eisbildung realisieren, indem bei Unterbrechung des ersten Laserstrahls noch ein normaler Betrieb oder ein Betrieb mit verminderter Drehzahl möglich ist und bei Unterbrechung des zweiten Laserstrahls ein vollständiger Stopp des Rotors erfolgt. Durch Änderung der Intensität, etwa durch Unterbrechung oder Änderung anderer physikalischer Eigenschaften eines der beiden Laserstrahlen, ändert sich das Sensorsignal des dem jeweiligen Laserstrahl zugeordneten Sensors. Die detektierte Änderung ist dann auswertbar. Sie lässt insbesondere Rückschlüsse auf die Eisschichtdicke zu.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind Laser und Sensor in einem Gehäuse oder nahe beieinander angebracht. Dem Laser und Sensor gegenüberliegend an dem Bereich ist ein Spiegel vorgesehen, und der Laserstrahl wird an einem Spiegel so reflektiert, dass er den Sensor trifft. Dieses hat den besonderen Vorteil, dass der Aufwand der Verkabelung minimiert wird, weil Stromversorgung und Signalleitungen nur zu einer Stelle geführt werden müssen und nicht zu zwei Stellen.
In einer bevorzugten Variante der Eisdetektionseinrichtung ist der wenigstens eine Laserstrahl in einem Einfallswinkel zur Oberfläche auf die Oberfläche gerichtet und der Sensor in einem Reflektionswinkel zur Oberfläche dem Laser gegenüberliegend angeordnet. Durch das Ausrichten des Laserstrahls direkt auf die Oberfläche in dem zur Vereisung neigenden Bereich sind schon Eisschichten geringster Dicke detektierbar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, sind eine Messeinrichtung zur Bestimmung von Werten meteorologischer Parameter und eine Vergleichseinrichtung mit einem elektronischen Speicher vorgesehen, in dem Korrelationen der Parameterwerte und der Wahrscheinlichkeit der Eisbildung abgelegt sind. Die Vergleichseinrichtung gibt ein Einschalt- oder Abschaltsignal ab und steuert damit eine Einschalt- und Abschalteinrichtung für den wenigstens einen Laser und/oder Sensor. Wenn die Vergleichseinrichtung eine über einem Einschaltgrenzwert liegende Wahrscheinlichkeit der Eisbildung ermittelt, wird ein Einschaltsignal abgegeben und der Laser und/oder Sensor wird eingeschaltet, sofern er bisher abgeschaltet war.
Wenn der Laser und/oder Sensor bereits eingeschaltet ist und die Vergleichseinrichtung eine unterhalb eines Abschaltgrenzwertes liegende Wahrscheinlichkeit der Eisbildung ermittelt, wird ein Abschaltsignal abgegeben und der Laser und/oder Sensor wird abgeschaltet.
Der Einschaltgrenzwert liegt vorzugsweise beabstandet von und oberhalb des Abschaltgrenzwerts. Die Hysterese ist ein Sicherheitsfaktor.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine angeschaltete Sensor, die Messgenauigkeit erhöhend, ständig beheizt. So kann ungefährliche, aber die Genauigkeit der Laserstrahldetektion erheblich störende Eisbildung ausgeschlossen werden.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung ist eine Kamera mit einem Eiserkennungsmodul auf die Oberfläche gerichtet. Die Anordnung ermöglicht über einen Bildvergleich die Detektion einer Eisschicht. In dem Eiserkennungsmodul sind Bilder der eisfreien Oberfläche abgespeichert. Das Eiserkennungsmodul ermöglicht den Vergleich der aufgenommenen Bilder mit den gespeicherten Bildern derselben eisfreien Oberfläche, und es ermittelt die Abweichung, um auf eine Eisbildung an der Oberfläche zu schließen.
Alternativ übermittelt die Kamera die aufgenommenen Bilder an eine Steuerungszentrale, die sich vom eisfreien Zustand der Rotorblattvorderkante überzeugt.
Die Kamera ist ein Sicherheitsfaktor, der die Eiserkennung über Laser und Sensor absichert.
Die Eisdetektionseinrichtung gestattet die Eiserkennung auf eisgefährdeten Oberflächen der Windenergieanlage, wie der Außenwandung des Turmes, insbesondere der Oberfläche von Gittermasten und Rotorblättern. Alternativ kann die Eisdetektionseinrichtung auch die Eisbildung auf einer Referenzfläche messen, die so angeordnet ist, dass auf dieser Fläche die Eisbildung besonders früh geschieht.
Die Aufgabe wird auch durch ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfüllt. Die Eisdetektionseinrichtung entspricht der oben beschriebenen Eisdetektionseinrichtung, wobei der Laser und der zugeordnete Sensor auf der Oberfläche eines Rotorblattes vorgesehen sind.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Laser entlang der Vorderkante des Rotorblattes gerichtet. Die Vorderkante des Rotorblattes ist im Wesentlichen gerade, so dass ein im Wesentlichen paralleler Verlauf des Laserstrahls zur Vorderkante möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Rotationseinrichtung zur Rotation des Laserstrahls des wenigstens einen Lasers um eine Rotationsachse senkrecht zur tangentialen Fläche der Rotorblattvorderkante vorgesehen. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere bei sich im Wind stark biegenden Rotorblättern, bei denen die Gefahr besteht, dass der Laserstrahl aufgrund der Biegung des Rotorblattes aus dem Detektionsbereich des zugehörigen Sensors rutscht. Der Laser kann umlaufend rotiert werden oder in einem Sektor schwingen. Die Rotation spannt einen so weiten Sektor, dass der Laserstrahl den zugeordneten Sensor während der Rotation trifft. Diese Ausführungsform eignet sich für Rotorblätter beliebiger Steifigkeit und also auch für sehr biegsame Rotorblätter.
In einer alternativen Ausführungsform der eben beschriebenen Erfindung ist das Rotorblatt während des Betriebs gebogen und der Abstand zwischen dem wenigstens einen Laser und dem zugeordneten Sensor und der Größe des Sensors ist so bemessen, dass der Laserstrahl trotz Durchbiegung des Rotorblattes auf den Sensor trifft. Diese Variante ist gegenüber der Rotationseinrichtung kostengünstiger.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die sich insbesondere in Kombination mit der eben beschriebenen Ausführungsform eignet, sind mehrere Laser-/Sensorpaare entlang der Vorderkante hintereinander angeordnet. Dabei können die verschiedenen Laserstrahlen der verschiedenen Laser-/Sensorpaare verschiedene, entlang der Rotorblattvorderkante hintereinander angeordnete Abschnitte abtasten. In dieser Variante der Erfindung ist eine besonders genaue, da abschnittsspezifische, Eisdetektion möglich.
Es kann eine Datenverarbeitungseinheit, z.B. in Form einer programmierbaren CPU vorgesehen sein, in der insbesondere die Vergleichseinrichtung, der elektronische Speicher für die meteorologischen Daten und das Bilderkennungsmodul mit dem elektronischen Bildspeicher untergebracht sind.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Laserstrahl von wenigstens einem Laser ausgesendet, wobei der Laserstrahl wenigstens abschnittsweise im Bereich einer bei Eis bildenden Klimabedingung zur Eisbildung neigenden Oberfläche des Rotorblattes verläuft. Der Laserstrahl wechselwirkt mit auf der Oberfläche gewachsenem Eis, und ein Sensor wird in dem eisfreien Strahlengang des Laserstrahls angeordnet. Dadurch werden Änderungen der physikalischen Eigenschaften des Laserstrahls aufgrund der Wechselwirkung detektiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Durchführung mit einer Windenergieanlage bzw. einem Rotorblatt mit der oben beschriebenen Eisdetektionseinrichtung.
Vorzugsweise wird die Intensität des Laserstrahls durch die Wechselwirkung verändert und durch den Sensor wird die Intensität des Laserstrahls gemessen. Intensitätssensoren sind handelsüblich erhältlich und damit kostengünstig.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Oberfläche mit einer Kamera fotografiert und fotografierte Bilder werden mit gespeicherten Bildern der eisfreien Oberfläche verglichen. Die Kamera stellt dabei Form- oder Farbabweichungen an der Rotorblattvorderkante fest und verhindert ein zu frühes Freischalten der Rotorblätter. Alternativ übermittelt die Kamera die aufgenommenen Bilder an eine Steuerungszentrale, die sich vom eisfreien Zustand der Rotorblattvorderkante 40 überzeugt. Die Eisdetektion mittels der Kamera dient als Absicherung der Eisdetektion mittels Laserstrahls.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Messstation auf dem Maschinenhaus vorgesehen, die Daten meteorologischer Parameter bestimmt. Die Messeinrichtung wird mit der oben beschriebenen Vergleichseinrichtung verbunden, die den Laser steuert.
Günstigenfalls wird eine Rotorblattheizung bei detektierter Eisschicht eingeschaltet. Vorzugsweise wird die Rotation der Rotorblätter der Windenergieanlage bei detektierter Eisbildung gestoppt, um Eisabwurf zu verhindern, wenn die Rotorblattheizung die Eisschicht nach einer vorbestimmten Zeit nicht abgetaut hat.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Rotorblattheizung eingeschaltet, wenn der Lasersensor Eis detektiert hat. Dadurch wird einem frühzeitigen Abschalten der Windenergieanlage entgegengewirkt und die Betriebszeit der Anlage kann verlängert werden.
Die Erfindung wird anhand von vier Ausführungsbeispielen in vier Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts mit erfindungsgemäßer Eisdetektionseinrichtung in einer ersten Ausführungsform,
2 ein Rotorblatt mit einer Eisdetektionseinrichtung einer zweiten Ausführungsform,
3 eine Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Eisdetektionseinrichtung in einer dritten Ausführungsform,
4 eine Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Eisdetektionseinrichtung.
Das in der 1 dargestellte Rotorblatt 10 ist mit einer Rotorblattwurzel 20 über einen Blattflansch 21 an einen zugeordneten Flansch der Rotornabe der Windenergieanlage montierbar. In Rotationsrichtung vorlaufend, ist zwischen der Rotorblattwurzel 20 und einer Rotorblattspitze 30 eine Rotorblattvorderkante 40 vorgesehen. Der Rotorblattvorderkante 40 in Rotationsrichtung nachlaufend ist zwischen Rotorblattwurzel 20 und Rotorblattspitze 30 ein aerodynamisch geformter Flügelbereich 50 ausgeformt. Da moderne Multimegawattanlagen Turmhöhen von über 100 Metern bei einer Rotorlänge von über 60 Metern aufweisen, kann die Rotorblattspitze während des Betriebs periodisch in die untere Wolkenschicht einstoßen, in der spezielle Eis bildende Wetterbedingungen herrschen können. Selbst bei nicht Eis bildenden Wetterbedingungen im Bereich des Maschinenhauses kann es bei großen Anlagen somit zur Eisbildung an der umlaufenden Rotorblattspitze kommen.
Grundsätzlich ist die während des Betriebs vorlaufende Rotorblattvorderkante einer besonders hohen Vereisungsgefahr aufgrund der in ihrem Bereich herrschenden Wind- und durch sie verursachten Temperaturverhältnisse ausgesetzt. Eine Eisdetektionseinrichtung 60, 70 wird darum zur Detektion einer Eisschicht an der Rotorblattvorderkante angeordnet. Als Detektionsmittel wird ein entlang der Rotorblattvorderkante 40 geführter Laserstrahl 80 der aktivierten Eisdetektionseinrichtung verwendet.
Der Laserstrahl 80 verläuft im Wesentlichen parallel zur Rotorblattvorderkante 40 zwischen Rotorblattwurzel 20 und Rotorblattspitze 30 in einem ersten Abstand von etwa 0,5 cm von der Oberfläche der Rotorblattvorderkante 40. Im Bereich der Rotorblattwurzel 20 ist an der Rotorblattvorderkante 40 ein Laser 60 vorgesehen, der zur Rotorblattspitze 30 gerichtet ist und dahin den Laserstrahl 80 sendet. An der Rotorblattspitze 30 ist ein den Laserstrahl 80 detektierender Sensor 70 angeordnet. Der Laserstrahl 80 ist in einem Abstand von etwa 1 cm oberhalb der Oberfläche der Rotorblattvorderkante 40 geführt. Der Laserstrahl 80 behält diesen Abstand entlang seiner gesamten Länge im Wesentlichen bei. Der Sensor 70 weist einen Durchmesser von mehreren Zentimetern auf, um damit Bewegungen des Laserstrahls 80 aus dem Detektionsbereich des Sensors 70 durch während des Betriebs auftretende Schwingungen oder Biegungen des Rotorblattes 10 entgegenzuwirken. Der Laser 60 ist außerhalb der Rotorblattoberfläche vorgesehen und direkt auf ihr montiert.
In den Rotorblättern sind jeweils eine Funktionseinheit bildende Heizeinrichtungen 100 integriert. Die Heizeinrichtung 100 heizt bevorzugt den Bereich der Rotorblattvorderkante 40. Der Laser 60 und der Sensor 70 weisen jeweils aus der Rotorblattwurzel 20 geführte elektrische Anschlüsse auf, die mit einer Datenverarbeitungseinheit 300 gemäß 4 verbunden sind. Die Heizeinrichtung 100 sind auch mit elektrischen Anschlüssen 101 für einen Stromversorgung versehen, die über die Datenverarbeitungseinheit 300 gesteuert wird. Die Heizeinrichtung z.B., kann in die Rotorblattschalen integrierte Heizschlangen oder ein Warmluft in den Rottorblattinnenraum blasendes Warmluftgebläse aufweisen
Die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Weiterbildung der Eisdetektionseinrichtung in 1 weist zusätzlich zu dem Laser 60 einen weiteren Laser 61 und zugehörigen weiteren Sensor 71 auf, die über einen zusätzlichen Laserstrahl 81 zusammenwirken. Das Rotorblatt 10 in 2 ist entsprechend dem Rotorblatt 10 in 1 aufgebaut. Der zusätzliche Laserstrahl 81 ist parallel zu dem Laserstrahl 80 geführt. Der zusätzliche Laserstrahl 81 ist entlang der Rotorblattvorderkante 40 gleichmäßig vom Laserstrahl 80 beabstandet und in einem größeren Abstand als der Laserstrahl 80 von der Oberfläche der Rotorblattvorderkante 40 entlang der. Rotorblattvorderkante 40 geführt. Der zusätzliche Laserstrahl 81 trifft auf den zusätzlichen Sensor 71. Die Messdaten des Sensors 70 und des zusätzlichen Sensors 71 sind getrennt voneinander auswertbar. Ein zweiter Abstand des zusätzlichen Laserstrahls 81 von der Rotorblattoberfläche beträgt etwa 1 cm. Die zweite Ausführungsform der Eisdetektionseinrichtung gestattet über die bloße Detektion einer Eisschicht im Bereich der Rotorblattvorderkante 40 hinaus, zusätzlich eine Bestimmung der Dicke der Eisschicht. Beim Überschreiten des ersten Abstandes durch die Eisschicht wird der erste Laserstrahl 80 unterbrochen und der Sensor 70 erhält kein zu detektierendes Signal. Beim Überschreiten des zweiten Abstandes wird zusätzlich zum ersten Laserstrahl 80 der zusätzliche Laserstrahl 81 unterbrochen und sowohl der Sensor 70 als auch der zusätzliche Sensor 71 erhalten kein zu detektierendes Lichtsignal vom Laser 60 bzw. zusätzlichen Laser 61.
Für den Fall, dass der Sensor 70 kein Signal erhält, aber der zusätzliche Sensor 71 immer noch den zusätzlichen Laserstrahl 81 detektiert, weist die Eisschicht zumindest bereichsweise eine Dicke zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand auf. Für den Fall, dass beide Sensoren 70, 71 kein Messsignal liefern, liegt die Eisschichtdicke zumindest bereichsweise oberhalb des zweiten Abstandes.
In 3 ist ein an ein Maschinenhaus 200 drehbar montierter Rotor 210 dargestellt. Die drei Rotorblätter 10 sind in einem Winkel von 120° zueinander an Flansche der Rotornabe 220 angeflanscht.
Jedem der drei Rotorblätter 10 ist eine Eisdetektionseinrichtung gemäß 1 oder 2 zugeordnet. Somit ist die Vereisung an jedem einzelnen der Rotorblätter 10 im Rahmen der in 1 und 2 beschriebenen Genauigkeit messbar. Zusätzlich ist am Spinner 230 neben jedem Rotorblatt 10 jeweils eine Kamera 240 montiert. Die Kamera 240 ist auf die Rotorblattvorderkante 40 gerichtet. Die Kamera 240 ist gesteuert ein- und ausschaltbar. Die eingeschaltete Kamera 240 nimmt Fotos von der Rotorblattvorderkante 40 auf, speichert sie zwischen und vergleicht sie mit in einem Speicher abgelegten Fotos der Rotorblattvorderkante 40 im eisfreien Zustand. Die Kamera 240 dient zur Sicherheit und zur Absicherung der Eisdetektionseinrichtung. Auf dem Maschinenhaus 200 ist darüber hinaus eine Wetterstation 250 vorgesehen. Die Wetterstation 250 umfasst insbesondere ein Thermometer und ein Hygrometer, mit deren Hilfe im Bereich des Maschinenhauses 200 die Gefahr einer Eisbildung bestimmt werden kann.
In 4 ist die Eisdetektionseinrichtung mit Kamera 240 und Messstation 250 gemäß 3 dargestellt. 4 zeigt zunächst die Datenverarbeitungseinheit 300 mit einer Schnittstelle mit 13 Eingängen. Die drei ersten (in 4 linken) Eingänge sind für die drei jeweils einem Rotorblatt zugeordneten Kameras 240, ein zweiter Eingang ist für die auf dem Maschinenhaus befindliche Wetterstation 250, drei dritte Eingänge sind für die Heizeinrichtungen 100 für jedes Rotorblatt und drei vierte, sowie drei fünfte Eingänge sind für den Laser 60 bzw. den Sensor 70 jedes Rotorblattes 10 vorgesehen. Jeder der genannten Eingänge kann mehrere Einzeleingänge aufweisen, insbesondere kann der zweite Eingang Einzelanschlüsse für Thermometer und Hygrometer aufweisen. Die doppelte Anzahl an vierten und fünften Eingängen ist bei montiertem zusätzlichem Laser 61 und zusätzlichem Sensor 71 vorhanden. Ein sechster Eingang ist mit der Abschaltautomatik 260 der Windenergienanlage verbunden.
Die Wettermessdaten der Wetterstation 250 werden fortlaufend ermittelt und der Datenverarbeitungseinheit 300 zugeführt. Dort werden die Wettermessdaten ausgewertet und bei Feststellen Eis bildender Wetterbedingungen, wird sowohl jede der Kameras 240 als auch jeder der drei Laser 60 eingeschaltet. Die Kamera 240 gibt über den ersten Eingang Bildmessdaten an eine Bildauswerteeinheit als Teil der Datenverarbeitungseinheit 300 ab, wo die Bildmessdaten mit den in einem elektronischen Speicher abgelegten Bildern verglichen werden. Bildabweichungen im Bereich der Rotorblattvorderkante 40 lassen auf Eisbildung schließen. Die Auswertung der Sensordaten des dem Laser 60 zugehörigen Sensors 70 ist sehr einfach, da eine Eisbildung genau dann vorliegt, wenn keine Sensordaten mehr über die drei fünften Eingänge an die Datenverarbeitungseinheit 300 übermittelt werden. Wenn sowohl die Kamera 240 als auch der zugehörige Sensor 70 Eisbildung signalisieren, wird die zugehörige Heizung 100 über dem dritten Eingang angesteuert und das Rotorblatt 10 beheizt. Innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne muss die Heizung 100 ein Abtauen des zugehörigen Rotorblattes 10 bewirkt haben. Beim Abtauen des Rotorblattes 10 liefern die Kamera 240 und der zugehörige Lasersensor 70 entsprechende Kontrollmessdaten. Sollte nach der vorgegebenen Zeitspanne das Rotorblatt 10 nicht hinreichend abgetaut sein, wird über den sechsten Eingang die automatische Abschalteinrichtung 260 der Windenergieanlage angesteuert und die Rotation der Windenergieanlage gestoppt, um eine Beschädigung durch das gebildete Eis zu verhindern. Insbesondere werden dabei die drei Rotorblätter 10 in Fahnenstellung gedreht.

10: Rotorblatt
20: Rotorblattwurzel
21: Blattflansch
30: Rotorblattspitze
40: Bereich, Rotorblattvorderkante
50: aerodynamisch geformter Flügelbereich
60: Laser
61: Laser
70: Sensor
71: Sensor
80: Laserstrahl
81: Laserstrahl
100: Heizeinrichtung
200: Maschinenhaus
210: drehbarer Rotor
220: Rotornabe
230: Spinner
240: Kamera
250: Wetterstation
260: Abschaltautomatik
300: Datenverarbeitungseinheit

Claims

Windenergieanlage mit mindestens einem Rotorblatt (10), gekennzeichnet durch eine Eisdetektionseinrichtung mit wenigstens einem Laser (60, 61), dessen ausgesendeter wenigstens einer Laserstrahl (80, 81) wenigstens abschnittsweise im Bereich (40) einer bei Eis bildenden Klimabedingen zur Eisbildung neigenden Oberfläche (40) eines Bauteils verläuft und mit auf der Oberfläche ausgebildetem Eis des Bereichs wechselwirken kann und mit wenigstens einem Sensor (70, 71), der in dem Strahlengang des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) angeordnet ist und der Änderungen physikalischer Eigenschaften des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) detektiert.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Laserstrahl (80, 81) in dem Bereich (40) in einem Abstand parallel zu der Oberfläche geführt ist und das Eis im vereisten Zustand der Oberfläche in den Strahlengang des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) ragt.
Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Laserstrahlen (80, 81) in dem zur Eisbildung neigenden Bereich (40) parallel zu der Oberfläche geführt sind und verschiedene Abstände zur Oberfläche aufweisen und jedem der Laserstrahlen (80, 81) ein eigener Sensor (70, 71) zugeordnet ist, der eine Unterbrechung jedes einzelnen der Laserstrahlen (80, 81) detektiert.
Windenergieanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass Laser und Sensor in einem Gehäuse oder nahe zueinander angebracht sind und der Laserstrahl an einem Spiegel so reflektiert, dass er den Sensor trifft.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Laserstrahl (80, 81) in einem Einfallswinkel zur Oberfläche auf die Oberfläche gerichtet ist und der wenigstens seine Sensor (70, 71) in einem Reflektionswinkel zur Oberfläche angeordnet ist.
Windenergieanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Wetterstation (250) zur Bestimmung von Werten meteorologischer Parameter und einer Vergleichseinrichtung, in der Korrelationen der Parameterwerte und der Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung abgelegt sind, und einer durch die Vergleichseinrichtung gesteuerten Einschalteinrichtung für den wenigstens einen Laser (60, 61) und/oder Sensor (80, 81).
Windenergieanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor (80, 81) beheizt ist.
Windenergieanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine auf die Oberfläche gerichtete Kamera (240).
Windenergieanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Eiserkennungsmodul mit dem der Sensor (70, 71) und/oder die Kamera (240) verbunden ist und das einen Vergleich der Messergebnisse und/oder der aufgenommenen Bilder der vereisten und der eisfreien Oberfläche gestattet.
Rotorblatt für eine Windenergieanlage, gekennzeichnet durch eine Eisdetektionseinrichtung mit wenigstens einem Laser (60), dessen ausgesendeter wenigstens einer Laserstrahl (80, 81) wenigstens abschnittsweise im Bereich (40) einer bei Eis bildenden Klimabedingen zur Eisbildung neigenden Oberfläche des Rotorblattes (10) verläuft und mit auf der Oberfläche ausgebildetem Eis des Bereichs (40) Wechselwirken kann und mit wenigstens einem Sensor (70, 71), der in dem Strahlengang des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) angeordnet ist und der Änderungen physikalischer Eigenschaften des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) detektiert.
Rotorblatt nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Laser (60, 61) den wenigstens einen Laserstrahl (80, 81) entlang der Vorderkante (40) eines Rotorblattes (10) richtet.
Rotorblatt nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der dem wenigsten einen Laser (60, 61) zugeordnete wenigstens eine Sensor (70, 71) in einem lichten Abstand von der Oberfläche des Rotorblatts (10) angeordnet ist.
Rotorblatt nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet dadurch, dass Laser und Sensor in einem Gehäuse oder nahe zueinander angebracht sind und der Laserstrahl an einem Spiegel so reflektiert, dass er den Sensor trifft.
Rotorblatt nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Rotationseinrichtung zur Rotation des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) des wenigstens einen Lasers (60, 61) um eine Rotationsachse senkrecht zur Oberfläche des Rotorblattes (10), und dadurch, dass das Rotorblatt (10) während des Betriebs gebogen ist und der wenigstens eine Laserstrahl (80, 81) den zugeordneten wenigstens einen Sensor (70, 71) während der Rotation trifft.
Rotorblatt nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (10) während des Betriebs gebogen ist und der Abstand zwischen dem wenigstens einen Laser (60, 61) und dem zugeordneten Sensor (70, 71) und die Größe des wenigstens einen Sensors (70, 71) so bemessen sind, dass der wenigstens eine Laserstrahl (80, 81) trotz Durchbiegung des Rotorblattes (10) auf den Sensor trifft.
Rotorblatt nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laser-Sensor-Paare entlang der Vorderkante (40) angeordnet sind.
Verfahren zur Detektion einer Eisschicht auf einer Oberfläche eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, indem wenigstens ein Laserstrahl (80, 81) von wenigstens einem Laser (60, 61) ausgesendet wird, der wenigstens eine Laserstrahl (80, 81) wenigstens abschnittsweise im Bereich (40) einer bei Eis bildenden Klimabedingungen zur Eisbildung neigenden Oberfläche eines Rotorblatts (10) verläuft, der Laserstrahl mit in dem Bereich (40) ausgebildetem Eis wechselwirkt, wenigstens ein Sensor (70, 71) in dem Strahlengang des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) angeordnet wird und Änderungen physikalischer Eigenschaften des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) durch die Wechselwirkung verändert wird und die Intensität des wenigstens einen Laserstrahls (80, 81) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einer Kamera (240) fotografiert wird und fotografierte Bilder mit gespeicherten Bildern der eisfreien Oberfläche verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorheizung eingeschaltet wird, wenn durch eine Wetterstation (250) zur Bestimmung von Werten wetterabhängiger Parameter Eis bildende Wetterbedingungen festgestellt wurden.
Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 20, indem die Rotation der Rotorblätter (10) der Windenergieanlage bei detektierter Eisbildung gestoppt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisdetektionseinrichtung eingeschaltet wird, wenn durch die Wetterstation (250) Eis bildende Wetterbedingungen festgestellt wurden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass auch eine Rotorblattheizung (100) eingeschaltet wird, wenn durch die Wetterstation (250) Eis bildende Wetterbedingungen festgestellt wurden.