DE102013223568A1

DE102013223568A1 - Verfahren und Anordnung zur Eiserkennung bei einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102013223568A1
Application number: DE102013223568.2A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Lenschow
Original assignee: Wobben Properties GmbH
Current assignee: LENSCHOW, GERHARD, DE
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-05-21
Also published as: TW201538844A; WO2015075068A1; AR098470A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage, insbesondere auf einem Rotor der Windenergieanlage, mit mindestens einem Rotorblatt, einem Heizmittel zum Erwärmen des mindestens einen Rotorblattes und einem Temperatur-Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Sensor zum Erfassen einer Temperatursignatur in Form einer Temperaturänderung an mindestens einem Messpunkt auf einer Oberfläche des Rotorblattes ausgebildet ist, und das Verfahren folgende Schritte umfasst, nämlich ein Vorgeben einer Referenztemperatursignatur des Rotorblattes, wobei die Referenztemperatursignatur die Temperaturänderung an dem mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes für einen eisfreien Zustand der Windenergieanlage beschreibt; ein Erwärmen des mindestens einen Rotorblattes an dem mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes mit dem Heizmittel; ein Erfassen der Temperatursignatur für den mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes beim Erwärmen; ein Vergleichen der erfassten Temperatursignatur mit der Referenztemperatursignatur; ein Ermitteln eines Auswerteergebnisses basierend auf dem Vergleichen; und ein Zuordnen des Auswerteergebnisses zu einem eisbelegten Zustand der Windenergieanlage, wenn eine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur und der Referenztemperatursignatur festgestellt wird oder anderenfalls zu dem eisfreien Zustand der Windenergieanlage. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage, insbesondere auf einem Rotor einer Windenergieanlage, gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage, insbesondere auf einem Rotor, gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 16.
Windenergie und Windkraft nehmen bei der globalen Energie- und Stromerzeugung einen immer größeren Anteil und damit einen wichtigen Stellenwert ein. Mit steigender Anzahl von Windenergieanlagen und Windparks wird die Auswahl der Standorte für die Windenergieanlagen immer wichtiger, da nicht nur gleichmäßige Windverhältnisse, sondern auch andere Witterungsbedingungen und/oder gesellschaftliche Aspekte eine Rolle spielen. Aufgrund der limitierten Anzahl von Standorten mit optimalen Bedingungen werden mitunter auch Standorte für Windenergieanlagen und Windparks ausgewählt, die extremen Wind- und Witterungsverhältnissen ausgesetzt sind. Es gibt eine immer größere Zahl von Windenergieanlagen, die an Standorten stationiert sind, bei denen beispielsweise mit Vereisungen der Windenergieanlage, insbesondere der Rotoren und Rotorblätter der Windenergieanlage, zu rechnen ist. Vereisungen führen zu einem Leistungsabfall der Windenergieanlage und/oder stellen ein Sicherheitsrisiko dar, da Eis jederzeit abplatzen und herunterfallen kann.
Vereisungen auf Windenergieanlagen stellen damit ein Hindernis für eine effiziente und sichere Nutzung der Windenergieanlagen dar, so dass moderne Windenergieanlagen in der Regel mit Enteisungsvorrichtungen ausgestattet sind. Beispielsweise ist ein Verfahren bekannt, bei welchem der Rotor und/oder die Rotorblätter in kontrollierte Schwingungen versetzt werden, so dass anhaftendes Eis abplatzt und zu Boden fällt. Weiter ist bekannt, die Oberfläche der Windenergieanlage, insbesondere der Rotorblätter, zu erwärmen, so dass anhaftendes Eis schmilzt und von der Windenergieanlage abrutschen kann.
Eine bereits auftretende Vereisung der Windenergieanlage führt typischerweise auch zu einem Leistungsabfall oder Leistungseinbruch der Windenergieanlage, so dass es wünschenswert wäre, eventuelle Eisbildungen möglichst frühzeitig zu erkennen. Insbesondere wäre es wünschenswert ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das/die es erlaubt eine Eisbildung auf der Windenergieanlage, insbesondere auf den Rotorblättern der Windenergieanlage, frühzeitig zu erkennen, insbesondere noch bevor es zu einem Leistungsverlust der Windenergieanlage kommt.
Darüber hinaus wäre es wünschenswert, die Eisbildung auf der Windenergieanlage auch im statischen Fall, das heißt ohne eine (Dreh-)Bewegung des Rotors der Windenergieanlage, zu erkennen. Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn eine Windenergieanlage für einen längeren Zeitraum außer Betrieb war und anschließend wieder in Betrieb genommen werden soll.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, über eine Erfassung und Überwachung einer Leistungskennlinie einer Windenergieanlage bzw. auf Grund von Abweichung in der Leistungskennlinie auf ein Vorliegen von Eis zu schließen bzw. eine Eisbildung zu erkennen. Insbesondere beim Über- und Unterschreiten von vorgegebenen Grenzwerten der Leistungskennlinie wird auf das Vorliegen einer Vereisung geschlossen.
Aus der Patentschrift DE 10 323 758 B4 der Anmelderin ist beispielsweise ein Verfahren zur Erkennung eines Eisansatzes auf den Rotorblättern beim Betrieb einer Windenergieanlage bekannt. Mit dem bekannten Verfahren werden zunächst verschiedene Werte für bestimmte Betriebsparameter, insbesondere die Leistung der Anlage und die Außentemperatur, mittels geeigneter Sensoren erfasst und mit gespeicherten Referenzwerten verglichen. Werden dann Abweichungen zwischen den erfassten Parameterwerten und den gespeicherten Parameterwerten festgestellt, wird auf eine Eisbildung geschlossen.
Weiter ist aus der Druckschrift DE 10 2005 016 524 A1 ein Verfahren zur Erkennung von Eis auf einer Windturbine bekannt, wobei die Windturbine einen Rotor mit mehrere Rotorblätter aufweist. Das Verfahren umfasst sowohl das Überwachen von meteorologischen Bedingungen, die mit Vereisungszustand in Verbindung stehen, also auch das Überwachen einer oder mehrerer physikalischer, charakteristischer Größen der Windturbine im Betrieb, die im Zusammenhang mit der Masse der mehreren Rotorblätter und/oder eines Massenungleichgewichtes zwischen den Rotorblättern stehen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Eiserkennung, insbesondere über die Erfassung der Leistungskennlinie, können hierbei nur im laufenden Betrieb der Windenergieanlage, das heißt während einer (Dreh-)Bewegung des Rotors, ausgeführt werden. Darüber hinaus ist die Eiserkennung über die Leistungskennlinie nicht zwangläufig immer eindeutig, da es mögliche Konstellationen für eine Eisbildung gibt, bei denen sogar eine Leistungssteigerung der Anlage möglich ist.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage, insbesondere auf einem Rotor der Windenergieanlage, zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich des Standes der Technik verbessert ist, wenigstens aber an eines der oben beschriebenen Probleme adressiert ist. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung eine Vereisung oder eine beginnende Eisbildung auch im statischen Fall der Windenergieanlage zu erkennen. Darüberhinaus ist es auch die Aufgabe der Erfindung, eine Eiserkennung auf der Windenergieanlage auch ohne Licht, insbesondere bei Dunkelheit, beispielsweise in der Nacht und ohne Fremdlichteinfluss, durchzuführen. Zumindest aber soll eine alternative Lösung zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Lösung vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 16 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage, insbesondere auf einem Rotor der Windenergieanlage, mit mindestens einem Rotorblatt, einem Heizmittel zum Erwärmen des mindestens einen Rotorblattes und einem Temperatur-Sensor, wobei der Temperatur-Sensor zum Erfassen einer Temperatursignatur in Form einer Temperaturänderung an mindestens einem Messpunkt auf einer Oberfläche des Rotorblattes ausgebildet ist, und das Verfahren folgende Schritte umfasst, nämlich ein Vorgeben einer Referenztemperatursignatur des Rotorblattes, wobei die Referenztemperatursignatur die Temperaturänderung an dem mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes für einen eisfreien Zustand der Windenergieanlage beschreibt; ein Erwärmen des mindestens einen Rotorblattes an dem mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes mit dem Heizmittel; ein Erfassen der Temperatursignatur für den mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes beim Erwärmen; ein Vergleichen der erfassten Temperatursignatur mit der Referenztemperatursignatur; ein Ermitteln eines Auswerteergebnisses basierend auf dem Vergleichen; und ein Zuordnen des Auswerteergebnisses zu einem eisbelegten Zustand der Windenergieanlage, wenn eine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur und der Referenztemperatursignatur festgestellt wird oder anderenfalls ein Zuordnen des Auswerteergebnisses zu dem eisfreien Zustand der Windenergieanlage.
Des Weiteren umfasst die Erfindung den Gedanken einer Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage, insbesondere auf einem Rotor der Windenergieanlage, mit mindestens einem Rotorblatt, einem Heizmittel zum Erwärmen des mindestens einen Rotorblattes und einem Temperatur-Sensor, wobei der Temperatur-Sensor zum Erfassen einer Temperatursignatur in Form einer Temperaturänderung an mindestens einem Messpunkt auf einer Oberfläche des Rotorblattes ausgebildet ist, und die Anordnung die folgenden Merkmale aufweist, nämlich Mittel zum Vorgeben einer Referenztemperatursignatur des Rotorblattes, wobei die Referenztemperatursignatur die Temperaturänderung an dem mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes für einen eisfreien Zustand der Windenergieanlage beschreibt; ein Heizmittel zum Erwärmen des mindestens einen Rotorblattes an dem mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes mit dem Heizmittel; einen Temperatur-Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur für den mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes beim Erwärmen; und ein Auswertemodul zum Vergleichen der erfassten Temperatursignatur mit der Referenztemperatursignatur; zum Ermitteln eines Auswerteergebnisses basierend auf dem Vergleichen; und zum Zuordnen des Auswerteergebnisses zu einem eisbelegten Zustand der Windenergieanlage, wenn eine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur und der Referenztemperatursignatur festgestellt wird oder anderenfalls ein Zuordnen des Auswerteergebnisses zu dem eisfreien Zustand der Windenergieanlage.
Im Folgenden wird das Konzept der Erfindung beispielhaft – ohne dabei einschränkend zu sein – beschrieben. Die Erfindung hat erkannt, dass die Temperatursignaturen, insbesondere die Temperaturänderungen auf der Oberfläche eines Rotorblattes, für zwei verschiedene Zustände, insbesondere einmal mit Eis und ein anderes Mal ohne Eis auf den Rotorblättern, verschieden sind. Dies liegt an den unterschiedlichen Wärmekapazitäten für diese beiden Zustände. Die Wärmekapazität eines Körpers, vorliegend des Rotors, insbesondere eines Rotorblattes am Rotor, gibt an, wie viel thermische Energie dieser – bezogen auf eine vorgegebene Temperaturänderung – aufnehmen oder abgeben kann. Die Wärmekapazität eines eisfreien Rotors oder Rotorblattes ist dabei im Wesentlichen konstant und hängt von den Parametern des Rotors oder Rotorblattes ab, beispielsweise der Masse, Material, Volumen, Dichte usw. des Rotors oder Rotorblattes.
Ist der Rotor, insbesondere das Rotorblatt, aber (teilweise) mit Eis und/oder Schnee bedeckt, oder haftet Eis an der Oberfläche eines Rotorblattes, so ist die Wärmekapazität des eisbelegten Rotorblattes gegenüber der Wärmekapazität des eisfreien Rotorblattes verschieden. Insbesondere ergibt sich die Wärmekapazität des eisbelegten Rotorblattes in einfacher Näherung aus der Summe der Wärmekapazität des eisfreien Rotorblattes und der Wärmekapazität des Eises auf dem Rotorblatt.
Weiterhin hat die Erfindung erkannt, dass Eis und/oder Schnee auf dem Rotor, insbesondere auf einem Rotorblatt, der Windenergieanlage eine temperaturabschirmende Wirkung hat, die insbesondere beim Erwärmen der Oberfläche des Rotors oder Rotorblattes erfasst, gemessen oder ermittelt werden kann.
Dieser Überlegung folgend kann nun über ein Erfassen einer Temperatursignatur, insbesondere über das Erfassen einer aktuellen zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturänderung der Oberflächentemperatur eines Rotorblattes, erkannt werden, ob auf dem Rotorblatt Eis vorhanden ist oder nicht.
Hierfür wird erfindungsgemäß ein Rotorblatt mittels eines Heizmittels erwärmt und gleichzeitig mit einem Sensor überwacht. Unter Heizmitteln werden in der vorliegenden Anmeldung, ohne Einschränkung, alle Heizelemente verstanden, die in konfiguriert sind, einem Rotor, insbesondere der Oberfläche eines Rotorblattes, Wärmeenergie zuzuführen, so dass sich die Oberfläche des Rotors oder des Rotorblattes erwärmt. Mit Hilfe des Sensors wird – während des Erwärmens – die Temperatursignatur, insbesondere die aktuelle Temperatur oder Temperaturänderung, erfasst und gespeichert. Die erfasste Temperatursignatur wird anschließend – zur Erzeugung eines Auswerteergebnisses – mit einer Referenztemperatursignatur verglichen, wobei die Referenztemperatursignatur die Temperaturänderung, für einen eisfreien Zustand des Rotors oder Rotorblattes beschreibt. Wird nun bei dem Vergleich eine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur und Referenztemperatursignatur ermittelt oder festgestellt, wird auf ein Vorliegen einer Vereisung der Windenergieanlage geschlossen. Anderenfalls wird – wenn keine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur und Referenztemperatursignatur festgestellt wird – angenommen, dass kein Eis vorhanden ist, also ein eisfreier Zustand der Windenergieanlage vorliegt. Dementsprechend kann das Auswerteergebnis dann dem jeweiligen Zustand der Windenergieanlage, also entweder eisbelegt oder eisfrei, zugeordnet werden.
Wird ein eisbelegten Zustand der Windenergieanlage festgestellt, kann beispielsweise eine Warnmeldung an der Betreiber der Windenergieanlage ausgegeben werden, mit der vor anhaftendem Eis gewarnt wird und/oder mit welcher aufgefordert wird, die notwendigen Maßnahmen einzuleiten, um das Eis von der Windenergieanlage zu entfernen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, dass das Verfahren sowohl im dynamischen als auch im statischen Fall, also auch im Stillstand der Windenergieanlage, nämlich ohne eine Drehbewegung des Rotors, ausgeführt werden kann und dennoch eine zuverlässige Eiserkennung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass das Verfahren auch ohne (optisches) Licht, insbesondere bei Dunkelheit, beispielsweise in der Nacht und ohne Fremdlichteinfluss, ausgeführt werden kann.
Diese und andere bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und präzisieren sowohl das Verfahren als auch die Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage, insbesondere auf einem Rotor der Windenergieanlage. Insbesondere sind bevorzugte Weiterbildungen Gegenstand der Unteransprüchen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, wie das/die oben erläuterte Verfahren/Anordnung im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren bzw. auszugestallten ist.
Bevorzugt sieht eine Ausgestaltung vor, dass die vorgegebene Referenztemperatursignatur für den eisfreien Zustand der Windenergieanlage und die erfasste Temperatursignatur eine zeitliche Temperaturänderung an dem mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes sind. Bei dieser Ausgestaltung ist es insbesondere vorgesehen für die Zeitdauer des Erwärmens des mindestens einen Rotorblattes die aktuelle Temperatur oder Temperaturänderung der Oberfläche des Rotorblattes, insbesondere eines Messpunktes auf der Oberfläche des Rotorblattes, in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen und anschließend mit einer entsprechenden zeitlichen Referenzsignatur zu vergleichen. Hierfür kann beispielsweise zu mehreren Zeitpunkten während des Erwärmens des Rotorblattes jeweils ein aktueller Temperaturwert erfasst und gespeichert werden. Mit den mehreren Temperaturwerten zu den jeweiligen Zeitpunkten kann dann beispielsweise eine (Temperatur-)Kennlinie ermittelt werden, die mit einer entsprechenden Referenztemperatursignatur, insbesondere mit einer für den eisfreien Zustand charakteristischen Referenztemperaturkennlinie, verglichen wird. Aus der Abweichung lässt sich dann ermittelt, ob ein eisfreier oder ein eisbelegter Zustand der Windenergieanlage vorliegt.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die vorgegebene Referenztemperatursignatur für den eisfreien Zustand der Windenergieanlage und die erfasste Temperatursignatur eine örtliche Temperaturänderung, insbesondere eine Temperaturänderung für mehrere Messpunkte und/oder einen oder mehrere Messbereiche der Oberfläche des Rotorblattes sind. Bei dieser Ausgestaltung ist es vorgesehen, örtliche Temperaturen oder Temperaturänderungen auf der Oberfläche des Rotorblattes zu erfassen. Hierbei können insbesondere mehrere Temperaturwerte an verschiedenen Messpunkten auf dem Rotor oder Rotorblatt erfasst werden, beispielsweise an der Rotorblattspitze, in der Mitte des Rotorblattes und/oder an der Nabe des Rotorblattes. Hierbei können dann für die mehreren Messpunkte auch entsprechende mehrere zeitliche Temperaturkennlinien erfasst und anschließend wiederum mit entsprechenden Referenztemperatursignaturen für die mehreren Messpunkte verglichen werden. Hierbei werden also zeitliche und örtliche Temperaturänderung zusammengefasst und/oder kombiniert. Beispielsweise kann es auch vorgesehen sein, für einen oder mehrere Messereich der Oberfläche des Rotorblattes Temperaturänderung zu erfassen und mit entsprechenden Referenztemperatursignaturen für diese Messbereiche zu vergleichen. In wiederum einer anderen Ausgestaltung kann die Temperaturänderung auch für die gesamte Oberfläche des Rotors und/oder des Rotorblattes erfasst und mittels einer entsprechenden Referenztemperatursignatur verglichen und ausgewertet werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass beim Vergleich der erfassten Temperatursignatur mit der Referenztemperatursignatur ein Minimalwert, ein Maximalwert, ein Mittelwert und/oder eine Standardabweichung der erfassten Temperatursignaturen mit den entsprechenden Werten, also einem Minimalwert, einem Maximalwert, einem Mittelwert und/oder einer Standardabweichung der Referenztemperatursignatur, verglichen werden. Hierbei werden also charakteristische Merkmale, vorliegend die Minimal-, Maximal-, Mittelwerte und/oder die Standardabweichung von erfasster Temperatursignatur, insbesondere auch der einen oder der mehreren zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturkennlinien für einen oder mehrere Messpunkte und/oder einen oder mehrere Messbereiche, ermittelt und mit den entsprechenden Merkmale, also der Minimal-, Maximal-, Mittelwerte und/oder der Standardabweichung der Referenztemperatursignatur, insbesondere der Referenzkennlinien, verglichen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Auswerteergebnis dem eisfreien Zustand der Windenergieanlage zugeordnet wird, wenn die Abweichung zwischen dem Minimalwert, dem Maximalwert, dem Mittelwert und/oder der Standardabweichung der erfassten Temperatursignatur und der Referenztemperatursignatur kleiner als 10 % ist und dem eisbelegten Zustand der Windenergieanlage zugeordnet wird, wenn die Abweichung größer als 10 % ist. In wiederum einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform ist die Abweichung für die Zuordnung eines eisbelegten oder eines eisfreien Zustandes der Windenergieanlage größer bzw. kleiner als 5 %, bevorzugt größer bzw. kleiner als 3 % und noch mehr bevorzugt größer bzw. kleiner als 1 %.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass beim Erwärmen des zumindest einen Rotorblattes mit dem Heizmittel das Rotorblatt von innen nach außen erwärmt wird. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Heizmittel im Inneren des Rotorblattes angeordnet ist, beispielsweise in Form eines elektrischen Heizdrahtes oder mehrerer Heizdrähte, die in dem Manteloberfläche des Rotorblattes angeordnet sind. Wird dann beispielweise eine Wechselspannung an die Heizdrähte angelegt, fließt ein Wechselstrom und die elektrische Energie wird auf Grund des elektrischen Widerstandes im Leiter bzw. den Heizdrähten in thermische Energie gewandelt, so dass sich das Rotorblatt von innen nach außen erwärmt.
Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass das Verfahren in Echtzeit ausgeführt wird. Hierbei wird in Echtzeit die zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung des Rotorblattes, insbesondere der Oberfläche des Rotorblattes, erfasst und in Echtzeit mit einer Referenztemperatursignatur verglichen.
Bevorzugt sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur des Rotorblattes ein Infrarotsensor (IR-Sensor), insbesondere eine Wärmebildkamera, ist. Bei dieser Ausgestaltungsform kann die zeitliche und/oder örtliche Temperatursignatur, insbesondere die zeitliche und örtliche Temperaturänderung der Oberfläche des Rotorblattes, mit einer Infrarotkamera oder Wärmebildkamera erfasst werden. Bei dieser Ausgestaltung sind dann auch die Referenztemperatursignatur in Form von (Infrarotsensor-)Daten erfasst worden oder liegen in dieser Form vor, so dass ein Vergleich der mit dem Infrarotsensor (IR-Sensor), insbesondere eine Wärmebildkamera, erfassten Temperatursignatur mit der Referenztemperatursignatur problemlos möglich ist. In einer anderen Ausgestaltungsform wird die Temperaturänderung mit einem Temperaturfühler, beispielsweise einem oder mehrere Thermometer erfasst.
Eine bevorzugte Ausgestaltungsform betrifft ein Verfahren, bei welchem mit dem Infrarot-Sensor (IR-Sensor), insbesondere der Wärmebildkamera, ein thermographisches Bild von mindestens einem Messbereich auf der Oberfläche des Rotorblattes erfasst wird. Hierbei wird die zeitliche und/oder örtliche Temperatursignatur, insbesondere die zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung, in Form einer zeitlichen Abfolge von thermographischen Bildern von einem oder mehrerer Messbereiche auf der Oberfläche des Rotorblattes mittels einer Wärmebildkamera erfasst. Die Thermographie ist dabei ein bildgebendes Verfahren zur Anzeige der Oberflächentemperatur. Hierbei wird die Intensität der Infrarotstrahlung als Maß für eine Temperatur gedeutet. Der IR-Sensor, insbesondere die Wärmebildkamera, wandelt dabei die für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung in elektrische Signale und erzeugt ein Bild in Falschfarben. Anschließend werden die thermographisch aufgenommenen Bilder mit entsprechenden Referenztemperatursignaturen, die ebenfalls in Form einer zeitlichen Abfolge von thermographischen Bildern, verglichen. In einer weiteren Ausgestaltungsform kann es zusätzlich vorgesehen sein, dass gleichzeitig zu den thermographischen Bildern, optische Bilder mittels einer zusätzlichen optischen Kamera aufgenommen werden und beide Bilder oder Bildabfolgen, also thermographische und optische, verglichen, kombiniert und gemeinsam ausgewertet werden.
Beispielsweise gibt es Infrarot-Sensoren, insbesondere Wärmebildkameras, die pro Minute ca. 20 Bilder aufnehmen erfassen können, so dass innerhalb einer Zeitspanne von ca. 10min eine Bildabfolge aus ca. 200 thermographischen Einzelbilder des Rotorblattes, insbesondere des Messbereiches auf der Oberfläche des Rotorblattes, erfasst und gespeichert werden. Die Einzelbilder oder Bildabfolge, insbesondre der Informationsgehalt darin, kann beispielsweise mittels Korrelationsrechnungen verarbeiten werden, so dass hieraus die aktuellen Temperatursignatur ermittelt werden kann. Die Einzelbilder der Bildabfolge werden dann automatisch mit Referenzbildern verglichen. Auch kann es sein, dass aufeinanderfolgende Bilder der Abfolge verglichen werden, wobei dann eine Differenz von (zwei) aufeinanderfolgenden Einzelbildern die aktuelle Temperatur-Änderung des Rotorblattzustandes zum aktuellen Messzeitpunkt anzeigt. Dies hat den insbesondere auch den Vorteil, dass stets ein aktueller Zustand des Rotorblattes auch mit einem Anfangszustand des aktuellen Messzeitraumes referenziert werden kann, was dann einer relativen und aktuellen Referenztemperatursignatur entspricht, die dann gegebenenfalls auch andere Parameter oder Störfaktoren wie Regen, Schmutz, usw. mit berücksichtigt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform betrifft ein Verfahren und eine Anordnung, bei dem der Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur lösbar an einer Gondel oder an einem Spinner der Windenergieanlage angeordnet ist. Hierbei ist der Sensor bevorzugt auf dem Dach der Gondel angeordnet, wobei die sensitive Fläche des Sensors in Richtung der Oberfläche der Rotorblätter orientiert ist, so dass die Oberfläche, insbesondere die Temperatur oder Temperaturänderung der Oberfläche des Rotorblattes, erfassen wird. Ohne Einschränkung kann der Sensor aber auch an einer anderen – hierfür geeigneten – Stelle an der Gondel angeordnet sein. In einer anderen alternativen Ausgestaltung ist der Sensor im Bereich des Spinners der Windenergieanlage angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor in einfacher Weise auch im dynamischen Fall der Windenergieanlage eingesetzt werden kann, das heißt also während einer Drehbewegung des Rotors, da der Sensor sich dann auf dem Spinner mit dem Rotor mit dreht und so immer den gleichen Messpunkt oder Messbereich überwacht/erfasst. In wiederum einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der Sensor beabstandet zu der Windenergieanlage angeordnet. Hierbei kann der (beabstandete) Sensor dann auch für die Überwachung/Erfassung mehrere Windenergieanlage, insbesondere eines kompletten Windparks, eingesetzt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung, bei dem der Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur ein steuerbares erstes Objektiv und/oder ein steuerbares zweites Objektiv aufweist. Hierbei ist es vorgesehen, dass der Sensor ein steuerbares Nah- und ein steuerbares Fernobjektiv aufweist, so dass verschiedene Bereiche der Oberfläche des Rotorblattes in unterschiedlichen Entfernungen zum Sensor erfassen werden können, beispielsweise einmal an der Rotorblattnabe und ein anderes Mal an der Rotorblattspitze. Beispielswiese kann hierbei ein Objektivrevolver vorgesehen sein, mit welchem zwischen den beiden Objektiven – beispielsweise mittels eines Remotekontrollers – steuerbar hin und her geschaltet werden kann.
Bevorzugt sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur mittels einer steuerbaren kardanischen Aufhängung montiert ist. Hierbei ist vorgesehen, dass der Sensor, insbesondere die IR-Kamera, steuer- und schwenkbar an der Gondel oder Spinner angeordnet ist, so dass der Sensor – beispielsweise mittels eines Remotekontrollers – in alle Richtungen geschwenkt werden kann. Hierdurch können beispielsweise mit einem einzigen Sensor die Temperatursignaturen von mehreren Windenergieanlagen, insbesondere der Rotoren und/oder Rotorblätter der mehreren Windenergieanlagen, erfasst werden.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur in einem Wellenlängenbereich für das nahe, mittlere und ferne Infrarotlicht sensitiv ist. Hierbei ist es bevorzugt vorgesehen, dass Wellenlängen in einem Bereich von λ = 0,5 µm bis 50 µm, bevorzugt von λ = 1 µm bis 20 µm, und noch mehr bevorzugt von λ = 2,5 µm bis 3,5 µm erfasst werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass der Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur polychromatisches und/oder monochromatisches Infrarotlicht erfasst. Hierfür können beispielsweise bestimmte IR-Filter vorgesehen sein, die dann steuerbar – beispielsweise mittels eines Remotekontrollers – dazu geschaltet werden können.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass der Sensor mit einem heizbaren Gehäuse, beispielsweise eines zusätzlich Heizmittels für den Sensor oder Sensorgehäuse, gebildet ist. Auch kann es vorgesehen sein, dass der Sensor und/oder das Gehäuse eine automatische Reinigungseinrichtung umfassen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Windenergieanlage mehrere Rotorblätter umfasst, wobei das Verfahren beim Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt und die Temperatursignaturen der mehreren Rotorblätter simultan und/oder sukzessiv erfasst werden. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Erfassen der Temperatursignatur im laufenden Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt wird, das heißt während einer Drehbewegung des Rotors und der Rotorblätter. Insbesondere beim Erfassten mit einem IR-Sensor oder einer Wärmebildkamera, die an der Gondel der Anlage befestigt ist, wird dann jedes Mal, wenn sich ein Rotorblatt an dem Sensor vorbei bewegt, eine aktuelle Temperatur der Oberfläche – beispielsweise in Form eines thermographischen Bildes des Rotorblattes – erfasst. Hierdurch ist es dann möglich die Temperatursignaturen der mehreren Rotorblätter gleichzeitig zu erfassen, wobei die Temperatursignaturen der einzelnen Rotorblätter sukzessiv, insbesondere stroboskopartig, erfasst werden. Anders ausgedrückt wird immer einmal pro Umdrehung des Rotors ein Wert für eine Temperatur oder ein thermographische Bild von der Oberfläche eines Rotorblattes erfasst. Die einzelnen Werte oder Bilder werden anschließend zu einer Abfolge von Werten oder Bildern zusammengesetzt und bildend so die zu vergleichende Temperatursignatur. In besonderer Weise ist es hierbei also vorgesehen, dass sukzessive Erfassen der Temperaturen oder Bilder auf die Drehzahl des Rotors abzustimmen bzw. den Sensor mit der Drehbewegung des Rotors zu triggern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr sind die Figuren, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und / oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus den Figuren unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in den Figuren sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den Figuren und / oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Identische oder ähnliche Teile oder Teile identischer oder ähnlicher Funktion sind, dort wo sinnvoll der Einfachheit halber mit einem gleichen Bezugszeichen versehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Figuren.
Im Einzelnen zeigen:
1 eine mögliche Ausgestaltungsform einer Windenergieanlage;
2A und 2B zwei mögliche Ausgestaltungsformen für eine Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage;
3 einen Ausschnitt einer mögliche Ausgestaltungsform einer Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage;
4 eine mögliche Ausgestaltungsform für eine Temperatursignatur und eine Referenztemperatursignatur für einen Messpunkt auf einem Rotorblatt einer Windenergieanlage; und
5 ein schematisches Ablaufdiagramm einer möglichen Ausgestaltungsform für ein Verfahren zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage.
1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage 100 durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt einen Generator (nicht dargestellt) im Inneren der Gondel 104 an. Mit Hilfe des Generators wird die mechanische Energie der Drehbewegung in elektrische Energie gewandelt.
Weiterhin umfasst die Windenergieanlage 100 Heizmittel 112 zum Erwärmen der Rotorblätter 108. In der 1 sind die Heizmittel 112 – ohne Einschränkung der Erfindung auf die dargestellte Ausführungsform – lediglich schematisch angedeutet. Ein Heizmittel in Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein Heizelemente, welches konfiguriert ist, einen Rotor, insbesondere die Oberfläche 108.1 eines Rotorblattes 108, mit Wärme zu beaufschlagen, so dass sich die Oberfläche des Rotorblattes erwärmt.
Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Elektroflächenheizung handeln, die in das Rotorblatt, insbesondere in die Oberfläche oder den Mantel des Rotorblattes, eingebaut oder integriert ist. Mit Hilfe der Elektroflächenheizung, beispielsweise in Form eines Netzes aus elektrischen Leitern, wird dann elektrische Energie in thermische Energie, d. h. in Wärme, gewandelt. Hierbei wird mit Hilfe von elektrischem Strom, der durch einen dünnen Leiter der Elektroflächenheizung fließt, Wärme erzeugt. Die thermische Energie entsteht dabei aufgrund des elektrischen Widerstandes im elektrischen Leiter. In einer bevorzugten Ausführungsform ist / sind das Heizelement oder die Heizelemente im Inneren des Rotorblattes angeordnet, so dass beim Einschalten des Heizelementes das Rotorblatt von Innen nach Außen erwärmt wird.
Die 2A und 2B zeigen zwei mögliche Ausgestaltungsformen für eine Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage. Dargestellt ist jeweils eine Windenergieanlagen 100 mit jeweils einem Turm 102 und einer Gondel 104 und Rotorblättern 108, die an einem Spinner 110 angeordnet sind. Weiterhin sind Heizmittel 112 zum Erwärmen der Rotorblätter 108 vorgesehen (schematisch dargestellt). Darüber hinaus ist jeweils ein Sensor, insbesondere ein Temperatursensor 111, zum Erfassen einer Temperatursignatur, insbesondere einer Temperaturänderung der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108, vorgesehen.
In der 2A ist der Sensor, insbesondere der Temperatursensor 111, beispielsweise lösbar an der Gondel 104 der Windenergieanlage 100 angeordnet. Vorliegend – aber ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedanken – ist der Sensor auf dem Dach der Gondel 104 angeordnet und konfiguriert, einen Messpunkt und/oder mehrere Messpunkte und/oder einen oder mehrerer (Teil-)Messbereiche der Oberfläche des Rotorblattes 108 zu überwachen und eine Temperaturänderung der Oberfläche des Rotorblattes zu erfassen oder zu detektieren. Der Sensor, insbesondere der Temperatursensor 111, kann hierbei mit Hilfe einer steuerbaren Aufhängung 111.1, insbesondere einer kardanischen Aufhängung, schwenkbar an der Gondel 104 montiert sein.
In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur des Rotorblattes als ein Infrarotsensor (IR-Sensor), insbesondere als eine Wärmebildkamera, gebildet, der/die konfiguriert ist, eine aktuelle Temperatur oder Temperaturänderung der Oberfläche des Rotorblattes in Echtzeit zu erfassen und wiederrum in Echtzeit mit einer Referenztemperatursignatur zu verglichen, beispielsweise mittels eines Auswerte- und/oder Steuermodules (nicht dargestellt). Hierbei können mit dem Infrarotsensor (IR-Sensor), insbesondere der Wärmebildkamera, thermographische Bilder von der Oberfläche und/oder von einem oder mehrere Teilbereiche auf der Oberfläche des Rotorblattes erfasst werden. Der IR-Sensor, insbesondere die Wärmebildkamera, wandelt dabei die Infrarotstrahlung in elektrische Signale und erzeugt ein (thermographisches) Bild in Falschfarben. Die thermographischen Bilder können dann mit entsprechenden thermographischen Referenzbildern, welche dann als Referenztemperatursignaturen dienen, verglichen werden.
In der 2B ist der Sensor, insbesondere der Temperatursensor 111, beabstandet zu der Windenergieanlage 1 angeordnet, d. h. der Sensor ist nicht an der Windenergieanlage selbst sondern in einiger Entfernung zu ihr angeordnet. Insbesondere kann es hierbei vorgesehen sein, dass der Sensor zum Erfassen der Temperatursignatur mittels einer steuerbaren Aufhängung 111.1, insbesondere einer kardanischen Aufhängung, montiert ist. Hierbei ist es möglich den Temperatursensor 111, insbesondere die IR-Kamera, beispielsweise mittels eines Remotekontrollers (nicht dargestellt), anzusteuern und in verschiedenen Richtungen zu schwenken und so mit einem einzigen Sensor mehrere Windenergieanlagen, beispielsweise mehrere Windenergieanlagen eines Windparks, zu überwachen.
In beiden Ausgestaltungsformen (2A und 2B) kann es darüberhinaus vorgesehen sein, dass der Temperatursensor 111 ein erstes steuerbares Objektiv 111.2 und/oder ein zweites steuerbares Objektiv 111.3 aufweist, beispielsweise ein Nah- und Fernobjektiv. Hierdurch können verschiedene Schärfentiefen bzw. Entfernungen mit dem Temperatursensor 111, insbesondere der IR-Kamera, erfasst werden. Hierdurch ist es ermöglicht unterschiedliche Entfernungen der Oberfläche des Rotorblattes, beispielsweise einmal an der Rotorblattspitze und ein anderes Mal an der Rotorblattnabe oder verschiedenen Windenergieanlagen eines Windparks in verschiedenen Entfernungen zu überwachen, insbesondere die Temperaturen der Oberflächen der verschiedenen Windenergieanlagen zu erfassen.
3 zeigt einen Teilausschnitt einer Anordnung zur Eiserkennung, insbesondere einer Windenergieanlage mit drei Rotorblättern 108, von vorne. Die Windenergieanlage 100 umfasst einem Turm 102 und eine Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage 100 durch den Wind in eine Drehbewegung (Pfeilrichtung) versetzt und treibt einen Generator (nicht dargestellt) im Inneren der Gondel 104 an. Mit Hilfe des Generators wird dann die mechanische Energie der Drehbewegung in elektrische Energie gewandelt.
Weiterhin ist ein Heizmittel 112 vorgesehen, beispielsweise ein Heizdraht 112.1 oder ein Netz aus Heizdrähten, der/die konfiguriert ist/sind, mit Hilfe elektrischer Energie, insbesondere elektrischen Storm, den Rotor und/oder die Rotorblätter, insbesondere die Oberfläche von Rotor und Rotorblättern, zu erwärmen. Ohne Einschränkung der Erfindung können auch anders ausgestaltete Heizmittel oder Heizelemente vorgesehen sein.
Weiter ist eine Sensor dargestellt, insbesondere der Temperatursensor 111, der beispielsweise an der Gondel 104 der Windenergieanlage 100 angeordnet. Vorliegend – aber ohne Einschränkung der Erfindung – ist der Sensor auf dem Dach der Gondel 104 angeordnet und konfiguriert, einen Messpunkt 113.1 und/oder mehrere Messpunkte 113.2, 113.3 und/oder einem Messbereich 114.1 und/oder mehrere Messbereiche 114.2, 114.3 der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108 zu überwachen und eine Temperaturänderung der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108 zu erfassen. Der Sensor, insbesondere der Temperatursensor 111, kann hierbei mit Hilfe einer steuerbaren Aufhängung 111.1, insbesondere einer kardanischen Aufhängung, montiert sein.
Vorliegend ist der Temperatursensor 111 in Form eines Infrarotsensors (IR-Sensor), insbesondere einer Wärmebildkamera, gebildet, der/die konfiguriert ist, die aktuelle Temperatur der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108 zu erfassen. In einer andern Ausgestaltungsform ist der Sensor beispielsweise in Form eines Temperaturfühlers oder Thermometers (nicht dargestellt) gebildet, der/das beispielsweise in das Rotorblatt integriert oder eingebaut seien kann.
Mit Hilfe des Temperatursensors 111, insbesondere mit dem Infrarotsensor (IR-Sensor) oder der IR-Kamera können beispielsweise thermographische Bilder von den mehreren Messpunkte 113.1, 113.2, 113.3 und/oder einem oder mehrerer Messbereiche 114.1, 114.2, 114.3 auf der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108 erfasst werden. Der IR-Sensor, insbesondere die Wärmebildkamera, wandelt dabei dann die Infrarotstrahlung in elektrische Signale und erzeugt ein (thermographisches) Falschfarbenbild.
Während des Erwärmens wird mit dem Temperatursensor 111, die aktuelle Temperatur, oder Temperaturänderung für mindestens einen der mehreren Messpunkte 113.1, 113.2, 113.3 und/oder der mehreren (Teil-)Messbereiche 114.1, 114.2, 114.3 auf der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108 erfasst. Ohne Einschränkung der Erfindung können auch weitere und/oder größere und/der andersartig geformte (Teil-)Messbereiche der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108, oder die gesamte Oberfläche des Rotors oder Rotorblattes 108 überwacht bzw. erfasst werden.
Beispielsweise – wie vorliegend schematisch angedeutet – ist der Rotor, insbesondere die Rotorblätter 108 in Bewegung, so dass der Sensor, der vorliegend auf dem Dach der Windenergieanlage angeordnet ist, immer nur einmal pro Umdrehung des Rotors eine Rotorblatt sieht und einen Wert für eine Temperatur oder ein thermographisches Bild von der Oberfläche aufnehmen oder erfassen kann. In einem solchen (dynamischen) Fall ist das Erfassen der Temperatur auf die Drehzahl der Anlage abgestimmt bzw. die Aufnahme oder Erfassung mit dem Sensor auf die Drehzahl des Rotors bzw. der Rotorblätter abgestimmt, insbesondere mit der Drehzahl getriggert.
Die erfassten Temperatursignaturen, werden anschließend beispielsweise in Form von elektrischen Signalen über eine Verbindungsleitung 116 an ein Auswertemodul 115 weitergeleitet. In dem Auswertemodul 115 werden dann die erfassten Temperatursignaturen mit der Referenztemperatursignatur verglichen und basierend auf dem Vergleich ein Auswerteergebnis ermittelt. Die Referenztemperatursignatur ist hierbei in einem Speicher 117 gespeichert und wird für den Vergleich an das Auswertemodul 115 weitergegeben. Beispielsweise kann der Speicher 117 aber auch im Auswertemodul 115 integriert sein. Anschließend wird das ermittelte Auswerteergebnis mit Hilfe des Auswertemoduls 115 entweder dem eisbelegten Zustand oder dem eisfreien Zustand der Windenergieanlage zugeordnet. Wird beispielsweise ein eisbelegter Zustand der Windenergieanlage festgestellt, so kann anschließend eine Warnmeldung an den Betreiber der Windenergieanlage ausgegeben werden und/oder automatisch notwendige Maßnahmen eingeleitet werden, die ein weitere Eisbildung unterbinden oder das vorliegende Eis beseitigen.
In der 4 sind zwei Temperatur-Zeit-Diagramme (links A und rechts B) dargestellt, wobei jeweils auf der y-Achse die Temperatur T (in °C) und auf der x-Achse die Zeit t dargestellt ist.
Das linke Diagramm (A) zeigt beispielhaft verschiedene Referenztemperatursignaturen (RTS), insbesondere zeitliche Temperaturänderungen der Oberfläche des Rotors oder Rotorblätter, für einen eisfreien Zustand der Windenergieanlage, insbesondere einen eisfreien Zustand der Oberfläche des Rotors und Rotorblätter bei verschiedenen Umgebungstemperaturen. Derartige Referenztemperatursignaturen können beispielsweise unter kontrollierten Bedingungen erfasst und in einem Speicher der Windenergieanlage oder eines Auswertemodules hinterlegt werden. Die vorliegend dargestellten Temperaturänderungen sind für einen bestimmten Messpunkt erfasst worden, beispielsweise den Messpunkt 113.1 auf der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108, wie in der 3 dargestellt.
Dargestellt sind insbesondere verschiedene Referenztemperatursignaturen (RTS) während des Erwärmens eines Rotorblattes mit einem Heizmittel. Das Erwärmen des Rotorblattes wird hierbei zum Zeitpunkt t1 gestartet und zum Zeitpunkt t2 gestoppt. Während dieser Zeitspanne (t1 bis t2) wird die aktuelle Temperatur oder Temperaturänderung des Rotorblattes erfasst, beispielsweise für den Messpunkt 113.1 auf der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108. Die verschiedenen Referenztemperatursignaturen wurden für verschiedene Außen- oder Umgebungstemperaturen erfasst, nämlich einmal für –1°C, 0°C, 1°C, 2°C, 3°C und 4°C, wobei kein Eis auf der Windenergieanlage, insbesondere auf dem Messpunkt 113.1 auf der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108, vorlag. Ohne Einschränkung der Erfindung ist das Heizmittel dabei derart konfiguriert, dass es eine bestimmte Heizleistung aufbringen kann, die das Rotorblatt auf beispielsweise auf 4°C erwärmt. Grundsätzlich werden aus Energiespargründen geringe Heizleistungen für das Erwärmen verwendet, um den gesamt Wirkungsgrand der Windenergieanlage nicht zu verschlechtern. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein andere Temperaturrampen/-kurve mit dem Heizmittel vorzugeben. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang lediglich, dass für die Erfassung der Referenztemperatursignaturen (RTS) und das eigentliche Eiserkennungsverfahren vergleichbare, insbesondere gleiche Temperaturrampen/-kurve, zur Erwärmung des Rotors oder Rotorblattes vom Heizmittel vorgegeben werden.
Vorliegend wird zum Zeitpunkt t1 und bei der Temperatur RTS_min das Heizmittel eingeschaltet, so dass sich die Oberfläche des Rotorblattes kontinuierlich erwärmt, bis schließlich eine Temperatur RTS_max erreicht wird, die das Heizmittel aufbringen kann. Hierbei gibt das Heizmittel kontinuierlich eine konstante Wärmemenge an das Rotorblatt ab. Zeitgleich zum Erwärmen des Rotorblattes wird die tatsächliche Temperatur oder Temperaturänderung der Oberfläche des Rotorblattes mit Hilfe des Temperatursensors, beispielsweise in Form eines Thermometers oder Infrarotsensors, insbesondere einer Wärmebildkamera, erfasst. Zum Zeitpunkt t2 wird das Heizmittel wieder abgeschaltet und die Erfassung oder Messung der Temperaturänderung beendet. Die erfassten Temperaturänderungen der Oberfläche des Rotorblattes dient als Referenztemperatursignatur RTS, beispielsweise für den gemessenen Messpunkt, vorliegend für den Messpunkt 113 auf der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108 (wie beispielsweise in der 3 dargestellt). Die Referenztemperatursignaturen RTS werden in einem Speicher einer Anordnung zur Eiserkennung gespeichert oder hinterlegt, so dass sie später mit anderen erfassten Temperatursignaturen verglichen werden können.
Das rechte Diagramm (B) in der 4 zeigt nun zwei Messungen für eine Temperatursignatur einer Windenergieanlage, für zwei verschiedene Zustände, nämlich einmal eine Temperatursignatur, insbesondere eine zeitliche Temperaturänderung 41 für einen eisbelegten Zustand der Windenergieanlage und ein anderes Mal eine Temperatursignatur, insbesondere eine zeitliche Temperaturänderung 42 für einen eisfreien Zustand der Windenergieanlage, wiederum beispielhaft für den Messpunkt 113.1 auf der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108, wie es schematisch in der 3 dargestellt ist.
Hierbei (rechte Diagramm (B) in der 4) wird wiederum zum Zeitpunkt t1 das Heizmittel eingeschaltet, so dass sich das Rotorblatt in vergleichbarer Weise wie beim Erwärmen für die Referenztemperatursignatur (vgl. Diagramm (A) in der 4) erwärmt. Im eisfreien Zustand erwärmt sich die Oberfläche des Rotorblattes von einer minimalen Temperatur, Minimalwert 42.1, vorliegend T = 0°C, solange bis schließlich die Temperatur, den Maximalwert 42.1, vorliegend T = 4°C, erreicht hat. Die erfasste Temperatursignatur, insbesondere die Temperaturänderungen 42 der Oberfläche des Rotorblattes, und die entsprechende Referenztemperaturen (vgl. RTS im Diagramm (A) bei einer Umgebungstemperatur von 0 °C) sind im Wesentlichen, d. h. bis auf Messungenauigkeiten, identisch. Ein Vergleich zeigt, dass es keine Abweichungen gibt, so dass die Windenergieanlage der Zustand eisfrei zugeordnet werden kann. Beim Vergleich der erfassten Temperatursignatur 42 mit der entsprechenden Referenztemperatursignatur RTS können beispielsweise die Minimalwerte 42.1 und/oder die Maximalwerte 42.2 mit den entsprechenden Werten, nämlich RTS_min und/oder RTS_max der Referenztemperatursignatur verglichen werden. Auch ein Vergleich der Mittelwerte und/oder der Standardabweichung der erfassten Temperatursignaturen 42 mit den entsprechenden Werten der Referenztemperatursignatur RTS kann ausgeführt werden.
Im eisbelegten Zustand der Windenergieanlage unterscheiden sich die erfasste Temperatursignatur, insbesondere die Temperaturänderungen 41 der Oberfläche des Rotorblattes, und die entsprechende Referenztemperaturen (vgl. RTS im Diagramm (A) bei einer Umgebungstemperatur von 0 °C) signifikant. Bei der erfassten Temperatursignatur 41 ändert sich die Temperatur der Oberfläche des Rotorblattes beim Einschalten des Heizmittels zum Zeitpunkt t1 zunächst nicht. Die vom Heizmittel aufgebrachte Wärmemenge wird nämlich zunächst von dem Eis auf der Oberfläche am entsprechenden Messpunkt des Rotorblattes aufgenommen, insbesondere zur Änderung des Aggregatzustandes des Eises am Messpunkt, nämlich von fest nach flüssig. Ist das Eis zum Zeitpunkt t1.1 geschmolzen, beginnt sich die Oberfläche des Rotorblattes zu erwärmen. Wiederum zum Zeitpunkt t2 wird das Heizmittel abgeschaltet und die Messung der Temperaturänderung beendet. Anschließend wird die erfasste Temperatursignatur, insbesondere die tatsächliche Änderung der Temperatur der Oberfläche des Rotorblattes, mit der entsprechenden Referenztemperatursignatur verglichen, wobei eine Abweichung festgestellt oder ermittelt wird. Anschließend kann der Zustand der Windenergieanlage einem eisbelegten Zustand zugeordnet werden.
Ohne Einschränkung der vorliegenden Erfindung können als Referenztemperatursignaturen nicht nur Temperaturänderungen, in der Form von vorhergehend beschriebenen Temperaturkennlinien für einen bestimmten Messpunkt (wie in 4 dargestellt) verwendet werden, sondern jegliche Art von erfassbaren Temperaturänderungen. Beispielsweise können Temperaturänderungen an mehreren Messpunkten und/oder einem oder mehrerer Messbereiche auf der Oberfläche eines Rotorblattes oder mehrerer Rotorblätter erfasst und als Referenztemperatursignaturen verwendet werden.
Große Messbereiche oder sogar ganze Rotorblattoberflächen können beispielsweise mit einem Infrarotsensor (IR-Sensor), insbesondere einer Infrarotkamera oder Wärmebildkamera, erfasst und aufgezeichnet und abgespeichert werden. Die Referenztemperatursignaturen für die zeitliche und örtliche Temperaturänderung der Oberfläche des Rotorblattes liegt dann in Form einer (zeitlichen) Abfolge von thermographischen Bildern von der Oberfläche des Rotorblattes vor. Auch hierbei können wiederum verschiedene Referenztemperatursignaturen für verschiedene Umgebungs- und/oder verschiedene Teil- oder Messbereiche der Oberfläche des Rotorblattes erfasst und in einem Speicher einer Anordnung für die Eiserkennung hinterlegt werden.
5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer möglichen Ausgestaltungsform für ein Verfahren zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage.
Zunächst wird eine Referenztemperatur RTS vorgegeben 51, wobei die Referenztemperatursignatur RTS die Temperaturänderung an mindestens einem Messpunkt für einen eisfreien Zustand 56.1 der Windenergieanlage beschreibt, beispielsweise für den Messpunkt 113.1 auf der Oberfläche 108.1 des Rotorblattes 108, wie beispielsweise in der 3 dargestellt. Die Referenztemperatursignatur RTS ist zuvor unter kontrollierten Bedingungen, das heißt während des Erwärmens des Rotors mit dem Heizmittelt bei einer bekannte Umgebungstemperatur, bestimmten Witterungsverhältnissen und einen eisfreien Zustand der Windenergieanlage erfasst worden und in einem Speicher der Anordnung gespeichert oder hinterlegt worden. Ohne Einschränkung können auch mehrere, verschiedene Referenztemperatursignaturen zum Beispiel für unterschiedliche Umgebungstemperaturen und/oder verschiedene Bereiche des Rotorblattes und/oder in Form von thermographischen Bildern der Oberfläche des Rotorblattes vorliegen.
Für das Eiserkennungsverfahren wird das Rotorblatt an mindestens einem Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes mit einem Heizmittel erwärmt 52. Beispielsweise fließt hierfür ein Strom durch einen dünnen elektrischen Draht, der in der Oberfläche des Rotorblattes integriert ist, wobei die elektrische Energie in thermische Energie zur Erwärmung des Rotorblattes gewandelt wird.
Mit Hilfe eines Temperatursensors, beispielsweise einer IR-Kamera oder einem Temperaturfühler, wird die Temperatursignatur TS, insbesondere die Temperaturänderung für den mindestens einen Messpunkt auf der Oberfläche des Rotorblattes während des Erwärmens 52 mit dem Heizmittel erfasst 53 und gespeichert, beispielsweise als eine zeitliche Temperaturänderung.
Anschließend wird die erfasste Temperatursignatur TS mit der vorgegebenen Referenztemperatursignatur RTS verglichen 54. Aus dem Vergleich 54 wird ein Auswerteergebnis 55.1 ermittelt 55, dass als ein Maß für eine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur TS und Referenztemperatursignatur RTS dient. Wird eine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur TS und der Referenztemperatursignatur RTS festgestellt, so wird das Auswerteergebnis 55.1 dem eisbelegten Zustand 56.2 der Windenergieanlage zugeordnet. Wird hingegen keine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur TS und Referenztemperatursignatur RTS festgestellt, wird das Auswerteergebnis 55.1 dem eisfreien Zustand 56.1 der Windenergieanlage zugeordnet.
Anschließend wird der ermittelte Zustand, nämlich eisfreier Zustand 56.1 oder eisbelegter Zustand 56.2 der Windenergieanlage, ausgebeben 57, beispielsweise über oder mit Hilfe einer Warmleuchte und/oder als akustische Warnmeldung. Insbesondere wenn ein eisbelegten Zustand 56.1 der Windenergieanlage festgestellt wird, kann eine Warnmeldung an den Betreiber der Windenergieanlage ausgegeben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10323758 B4 [0007]
DE 102005016524 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Eiserkennung bei einer Windenergieanlage (100), insbesondere auf einem Rotor (106) der Windenergieanlage (100), mit mindestens einem Rotorblatt (108), einem Heizmittel (112) zum Erwärmen des mindestens einen Rotorblattes (108) und einem Temperatur-Sensor (111), dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Sensor (111) zum Erfassen einer Temperatursignatur (TS) in Form einer Temperaturänderung an mindestens einem Messpunkt (113.1) auf einer Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) ausgebildet ist, und das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Vorgeben (51) einer Referenztemperatursignatur (RTS) des Rotorblattes (106), wobei die Referenztemperatursignatur (RTS) die Temperaturänderung an dem mindestens einem Messpunkt (113.1) auf der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) für einen eisfreien Zustand (46.1) der Windenergieanlage (100) beschreibt; – Erwärmen (52) des mindestens einen Rotorblattes (108) an dem mindestens einem Messpunkt (113.1) auf der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) mit dem Heizmittel (112); – Erfassen (53) der Temperatursignatur (TS) für den mindestens einem Messpunkt (113.1) auf der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) beim Erwärmen (52); – Vergleichen (54) der erfassten Temperatursignatur (TS) mit der Referenztemperatursignatur (RTS); – Ermitteln (55) eines Auswerteergebnisses (55.1) basierend auf dem Vergleichen (54); und – Zuordnen (56) des Auswerteergebnisses (55.1) zu einem eisbelegten Zustand (56.1) der Windenergieanlage (100), wenn eine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur (TS) und der Referenztemperatursignatur (RTS) festgestellt wird oder anderenfalls zu dem eisfreien Zustand (56.2) der Windenergieanlage (100).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Referenztemperatursignatur (RTS) für den eisfreien Zustand (56.1) der Windenergieanlage (100) und die erfasste Temperatursignatur (TS) eine zeitliche Temperaturänderung an dem mindestens einen Messpunkt (113.1) auf der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Referenztemperatursignatur (RTS) für den eisfreien Zustand (56.1) der Windenergieanlage (100) und die erfasste Temperatursignatur (TS) eine örtliche Temperaturänderung, insbesondere eine Temperaturänderung für mehrere Messpunkte (113.1, 113.2, 113.3) und/oder einem oder mehrere Messbereiche (114.1, 114.2, 114.3) der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen (54) der erfassten Temperatursignatur (TS) mit der Referenztemperatursignatur (RTS) ein Minimalwert, ein Maximalwert, ein Mittelwert und/oder eine Standartabweichung der erfassten Temperatursignatur (TS) mit den entsprechenden Werte der Referenztemperatursignatur (RTS) verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerteergebnisses (55.1) dem eisfreien Zustand (56.1) der Windenergieanlage (100) zugeordnet wird, wenn die Abweichung zwischen den Minimalwerten, Maximalwerten, Mittelwerten und/oder der Standartabweichungen von erfasster Temperatursignatur (TS) und Referenztemperatursignatur (RTS) kleiner als 10% sind oder dem eisbelegten Zustand (56.2) der Windenergieanlage (100) zugeordnet wird, wenn die Abweichung größer als 10% ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erwärmen (52) des mindestens einen Rotorblattes (108) mit dem Heizmittel (112) das Rotorblatt (108) von Innen nach Außen erwärmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Echtzeit ausgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (111) zum Erfassen (52) der Temperatursignatur (TS) des Rotorblattes (108) ein Infrarot-Sensor (IR-Sensor), insbesondere eine Wärmebildkamera, ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Infrarot-Sensor (IR-Sensor), insbesondere der Wärmebildkamera, ein thermographisches Bild von mindestens einem Messbereich (114.1, 114.2, 114.3) auf der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) erfasst wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (111) zum Erfassen (53) der Temperatursignatur (TS) des Rotorblattes (106) lösbar an der Gondel (104) oder an einem Spinner (110) der Windenergieanlage (100) angeordnet ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (111) zum Erfassen (52) der Temperatursignatur (TS) ein steuerbares erstes Objektiv (111.2) und/oder ein steuerbares zweites Objektiv (111.3) aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (111) zum Erfassen (52) der Temperatursignatur (TS) mittels einer steuerbaren kardanischen Aufhängung (111.1) montiert ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (111) zum Erfassen (52) der Temperatursignatur (TS) in einem Wellenlängenbereich für das nahe, mittlere und ferne Infrarotlicht sensitiv ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (111) zum Erfassen (52) der Temperatursignatur (TS) polychromatisches und / oder monochromatisches Infrarotlicht erfasst.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Windenergieanlage (100) mehrere Rotorblätter (108) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren beim Betrieb der Windenergieanlage (100) ausgeführt wird und die Temperatursignaturen (TS) von mehreren Rotorblättern (108) simultan und/oder sukzessiv erfasst werden.
Anordnung zur Eiserkennung auf einer Windenergieanlage (100), insbesondere auf einem Rotor (106) der Windenergieanlage (100), mit mindestens einem Rotorblatt (108), einem Heizmittel (112) zum Erwärmen des mindestens einen Rotorblattes (108) und einem Temperatur-Sensor (111), dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Sensor (111) zum Erfassen einer Temperatursignatur (TS) in Form einer Temperaturänderung an mindestens einem Messpunkt (113.1) auf einer Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) ausgebildet ist, und die Anordnung die folgenden Merkmale aufweist: – Mittel (117), insbesondere ein Speicher, zum Vorgeben (51) einer Referenztemperatursignatur (RTS) des Rotorblattes (106), wobei die Referenztemperatursignatur (RTS) die Temperaturänderung an dem mindestens einem Messpunkt (113.1) auf der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) für einen eisfreien Zustand (56.1) der Windenergieanlage (100) beschreibt; – Heizmittel (112) zum Erwärmen (52) des mindestens einen Rotorblattes (108) an dem mindestens einem Messpunkt (113.1) auf der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) mit dem Heizmittel (112); – Temperatur-Sensor (111) zum Erfassen (53) der Temperatursignatur (TS) für den mindestens einem Messpunkt (113) auf der Oberfläche (108.1) des Rotorblattes (108) beim Erwärmen (52); und – Auswertemodul (115) zum – Vergleichen (54) der erfassten Temperatursignatur (TS) mit der Referenztemperatursignatur (RTS); – Ermitteln (55) eines Auswerteergebnisses (55.1) basierend auf dem Vergleichen (54); und – Zuordnen (56) des Auswerteergebnisses (55.1) zu einem eisbelegten Zustand (56.1) der Windenergieanlage (100), wenn eine Abweichung zwischen erfasster Temperatursignatur (TS) und der Referenztemperatursignatur (RTS) festgestellt wird oder anderenfalls zu dem eisfreien Zustand (46.2) der Windenergieanlage (100).
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen.