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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Blattheizung einer Windenergieanlage, eine Windenergieanlage und eine Messeinheit zum Erfassen einer Luftfeuchtigkeit.
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Windenergieanlagen sind unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ausgesetzt und müssen auch bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Bei niedrigen Temperaturen und bei einer gewissen Luftfeuchtigkeit kann es dazu kommen, dass sich Eis insbesondere an den Rotorblättern der Windenergieanlagen bildet. In einem derartigen Fall kann es sein, dass die Windenergieanlage aus Sicherheitsgründen abgeschaltet werden muss.
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Um eine Eisbildung an den Rotorblättern einer Windenergieanlage zu vermeiden, kann eine Rotorblattheizung aktiviert werden. Die Rotorblattheizung benötigt jedoch elektrische Energie, welche dann nicht mehr durch die Windenergieanlage an ein elektrisches Energieversorgungsnetz abgegeben werden kann. Somit sollte der Einsatz einer Rotorblattheizung nur dann erfolgen, wenn dies notwendig ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer Blattheizung einer Windenergieanlage vorzusehen, welches einen effizienteren Betrieb einer Rotorblattheizung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern einer Rotorblattheizung einer Windenergieanlage nach Anspruch 1, durch eine Windenergieanlage nach Anspruch 3 und durch eine Messeinheit zum Bestimmen einer Luftfeuchtigkeit nach Anspruch 4 gelöst.
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Somit wird ein Verfahren zum Steuern einer Blattheizung einer Windenergieanlage vorgesehen. Dazu wird eine Außentemperatur erfasst. Eine Luftfeuchtigkeit im Bereich der Windenergieanlage wird erfasst und die Blattheizung wird aktiviert, wenn die Außentemperatur unter einen Außentemperatur-Grenzwert fällt und die Luftfeuchtigkeit oberhalb eines Luftfeuchtigkeits-Grenzwertes ist. Die Erfassung der Luftfeuchtigkeit erfolgt durch eine Messeinheit in oder an der Windenergieanlage. Zur Erfassung der Luftfeuchtigkeit wird Außenluft in ein Rohr geführt und die einströmende Außenluft wird durch eine Heizeinheit erwärmt. Im Bereich des Ausganges des Rohres wird die Luftfeuchtigkeit der erwärmten Luft gemessen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Außenluft in dem Rohr so weit erwärmt, dass sich in der Außenluft befindlicher Regen, Nebel oder Schnee geschmolzen wird und somit bei der Erfassung der Luftfeuchtigkeit mit berücksichtigt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Windenergieanlage mit mindestens einem Rotorblatt, einer Blattheizungseinheit zum Beheizen des mindestens einen Rotorblattes und einer Messeinheit zum Erfassen einer Luftfeuchtigkeit einer Außenluft im Bereich der Windenergieanlage. Somit wird die Luftfeuchtigkeit einer Außenluft erfasst. Die Messeinheit weist ein Rohr mit einem ersten Ende zum Einleiten von Außenluft und ein zweites Ende auf. Ferner weist die Messeinheit eine Heizeinheit im Bereich des ersten Endes zum Erwärmen der einströmenden Außenluft auf. Die Messeinheit weist im Bereich des zweiten Endes einen Luftfeuchtigkeitssensor zum Erfassen der Luftfeuchtigkeit der durch die Heizeinheit erwärmten Außenluft auf.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Messeinheit zum Bestimmen einer Luftfeuchtigkeit. Die Messeinheit weist ein Rohr mit einem ersten und zweiten Ende zum Einleiten von Außenluft und eine Heizeinheit in oder an dem Rohr auf, wobei die Heizeinheit zum Erwärmen der einströmenden Außenluft vorgesehen ist. Ein Temperatursensor kann im Bereich des ersten oder zweiten Endes des Rohres vorgesehen sein. Ein Luftfeuchtigkeitssensor kann im Bereich des zweiten Endes zum Erfassen der Luftfeuchtigkeit der durch die Heizeinheit erwärmten Außenluft vorgesehen sein.
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Um den Betrieb der Rotorblattheizung der Windenergieanlage effizient steuern zu können, benötigt die Steuerung eine genaue Erfassung der Temperatur und insbesondere der Luftfeuchtigkeit auch bei niedrigen Temperaturen. Feuchtigkeitssensoren erfassen typischerweise eine relative Feuchtigkeit im Vergleich zu einer maximal möglichen Wasseraufnahmefähigkeit der Luft bei einer bestimmten Temperatur.
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Gemäß der Erfindung wird eine Messeinheit mit einem Rohr mit einem Heizregister vorgesehen und Luft von außerhalb der Windenergieanlage wird durch das Rohr geführt und mittels des Heizregisters erwärmt. Am Ausgang des Rohres oder innerhalb des Rohres kann ein Luftfeuchtigkeitssensor und in unmittelbarer Nachbarschaft des Luftfeuchtigkeitssensors ein Temperatursensor vorgesehen sein, welcher die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur der sich innerhalb des Rohres befindlichen erwärmten Luft ermittelt. Da die Luft durch das Heizregister erwärmt worden ist, ist die Temperatur der Luft insbesondere am Ende des Rohres höher als die Außentemperatur. Durch die gezielte Erwärmung der Luft in dem Rohr kann eine genauere Erfassung der relativen Luftfeuchtigkeit erfolgen, indem aus der relativen Luftfeuchtigkeit der erwärmten Luft zunächst die absolute Feuchtigkeit errechnet wird und mit diesem Wert die relative Luftfeuchtigkeit bei der Lufteintrittstemperatur (= Außentemperatur) zurückgerechnet wird. Somit können die Luftfeuchtigkeitssensoren die Luftfeuchtigkeit erheblich genauer bestimmten. Auf Grund der Erhöhung der sich innerhalb des Rohres befindlichen Luft mittels des Heizregisters kann auch in der Luft nicht gelöste Feuchtigkeit z. B. in Form von Schnee, Regen, Hagel oder Nebel gelöst werden, so dass auch diese Anteile in die Rückrechnung der Eintrittsluftfeuchte einfließen. Die rückgerechnete relative Eintrittsluftfeuchte kann in diesem Fall auch höher als 100% sein und indiziert damit das Vorhandensein nicht in Luft gelöster flüssiger oder gefrorener Wasseranteile im Eintrittszustand.
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Die Luftfeuchtigkeitssensoren können beispielsweise die relative Luftfeuchtigkeit erfassen. Diese Erfassung erfolgt innerhalb des Rohres und insbesondere am Ende des Rohres, nämlich dort, wo die Lufttemperatur höher ist. Durch das Aufheizen der Luft mittels des Heizregisters kann in der Luft nicht gelöste Feuchtigkeit der Luft zugeführt werden, so dass eine genaue Erfassung der Luftfeuchtigkeit erfolgen kann.
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Gemäß der Erfindung kann die absolute Wassermenge oder eine relative Luftfeuchtigkeit erfasst werden. Wenn eine Luftfeuchtigkeit von > 100 % bestimmt bzw. erfasst wird, dann ist dies beispielsweise ein sicheres Signal für die Aktivierung der Blattheizung, soweit eine Grenztemperatur unterschritten ist. Kennt man die Oberflächentemperatur der strukturellen Bauteile, kann man mit dieser Methode auch das Risiko des Anfrierens flüssig auftreffender Wasser/Eispartikel erkennen.
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Gemäß der Erfindung kann Regen, Nebel, Schnee, Schneeregen, Hagel etc. in dem Rohr mittels des Heizregisters geschmolzen werden, so dass eine effektive Erfassung der Luftfeuchtigkeit möglich ist. Wenn die in dem Rohr erfasste Luftfeuchtigkeit größer ist als ein Grenzwert und wenn die Außentemperatur ebenfalls unter einen Grenzwert fällt, dann kann der Betrieb der Rotorblattheizung aktiviert werden.
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Das Rohr der Messeinheit zum Erfassen der Luftfeuchtigkeit kann auf der Gondel der Windenergieanlage, am oder im Turm der Windenergieanlage oder am Boden im Bereich der Windenergieanlage vorgesehen sein und dient dazu, diejenige Atmosphäre aufzunehmen, welche die Windenergieanlage anströmt oder umströmt.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Windenergieanlage mit einer Messeinheit zum Erfassen der Luftfeuchtigkeit. Die Messeinheit weist ein Rohr mit einem ersten und zweiten Ende sowie einer Heizeinheit oder einem Heizregister im Bereich des Rohres auf. Die Luft außerhalb der Windenergieanlage kann in das erste Ende des Rohres einströmen und wird durch das Heizregister erwärmt. Im Bereich des zweiten Endes des Rohres ist mindestens ein Luftfeuchtigkeitssensor und ein Temperatursensor vorgesehen. Der Luftfeuchtigkeitssensor erfasst die Luftfeuchtigkeit der sich am zweiten Ende des Rohres befindlichen Luft. Die Windenergieanlage weist ferner eine Blattheizungssteuereinheit zum Steuern des Betriebs einer Blattheizung auf. Die Steuereinheit empfängt eine Außentemperatur sowie ein Ausgangssignal des Luftfeuchtigkeitssensors und steuert den Betrieb der Blattheizung. Wenn die Außentemperatur unter einen Grenzwert fällt und die durch den Luftfeuchtigkeitssensor ermittelte Luftfeuchtigkeit der Luft am zweiten Ende des Rohres oberhalb eines Grenzwertes ist, dann kann die Rotorblattheizung mittels der Blattheizungssteuereinheit aktiviert werden.
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Die Rotorblattheizung kann gemäß der Erfindung mindestens einen Lüfter und eine Heizeinheit aufweisen. Mittels der Heizeinheit wird Luft erwärmt und mittels des Lüfters wird die erwärmte Luft in die Rotorblätter geblasen.
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Alternativ dazu kann die Rotorblattheizung eine Mehrzahl von elektrischen und/oder optischen Leitungen innerhalb des Rotorblattes aufweisen. Zum Aktivieren der Blattheizung wird eine Spannung an die elektrischen Leitungen angelegt, so dass die elektrischen Leitungen sich auf Grund ihres elektrischen Widerstandes erwärmen. Bei den optischen Lichtwellenleitern kann elektromagnetische Energie eingekoppelt werden, so dass diese Energie durch Verlustleistung in Wärme umgewandelt werden kann.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung,
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Rotorblattheizung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Die Pitchwinkel der Rotorblätter 108 können durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden.
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Eine Messeinheit 200 zum Erfassen der Luftfeuchtigkeit der Luft im Bereich der Windenergieanlage bzw. außerhalb der Windenergieanlage kann an der Gondel (wie in 1 gezeigt), aber auch alternativ am Turm oder im Bereich des Bodens vorgesehen sein.
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Die Windenergieanlage weist eine Rotorblattheizung 300 auf, welche eine Blattheizungssteuereinheit 310 sowie eine Heizeinheit 320 aufweist.
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Die Blattheizungssteuereinheit 310 ist mit der Messeinheit 200 gekoppelt. Die Steuereinheit 310 kann ebenfalls mit einem Außentemperatursensor 330 gekoppelt sein.
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Wenn die durch den Außentemperatursensor 330 ermittelte Außentemperatur unter einen Grenzwert fällt, dann kann die Blattheizungssteuereinheit 310 die Messeinheit 200 aktivieren.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel Die Messeinheit 200 weist ein Rohr 210 mit einem ersten und zweiten Ende 211, 212, eine Heizeinheit oder ein Heizregister 220, einen ersten Temperatursensor 230 am ersten Ende 211 des Rohres 210, einen zweiten Temperatursensor 240 im Bereich des zweiten Endes 212 des Rohres 210 sowie einen Luftfeuchtigkeitssensor 250 am zweiten Ende 212 des Rohres 210 auf. Die Messeinheit kann optional eine Messeinheit-Steuereinheit 260 aufweisen. Optional können die Ausgangswerte des ersten und zweiten Temperatursensors 230, 240 sowie die Ausgangswerte des Luftfeuchtigkeitssensors 250 direkt an die Blattheizungs-Steuereinheit 310 übermittelt werden.
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Außenluft AL strömt durch den ersten Eingang 211 in das Rohr 210 hinein. Der erste Temperatursensor 230 erfasst die Temperatur der einströmenden Luft und die einströmende Luft wird durch die Heizeinheit bzw. das Heizregister 220 erwärmt. Im Bereich des zweiten Endes 212 des Rohres wird mittels des zweiten Temperatursensors 240 die Temperatur der erwärmten Luft erfasst. Mittels des Luftfeuchtigkeitssensors 250 wird die relative Luftfeuchtigkeit erfasst.
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Optional kann in der Messeinheit-Steuereinheit 260 die relative Luftfeuchtigkeit am Eintritt, d. h. am ersten Ende 211 der Messeinheit 200 bestimmt werden.
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Das Rohr 210 stellt eine Messstrecke dar, in welche ein geringer Teil des Luftstroms, der die Windenergieanlage antreibt, hinein bzw. angesaugt wird. Durch das Heizregister wird diese angesaugte Luft erwärmt, so dass darin enthaltene nicht gelöste Wasseranteile beispielsweise in Form von Nebel, Regen, Hagel, Schnee oder dergleichen geschmolzen werden. Damit kann die tatsächliche Luftfeuchtigkeit genauer und effizienter ermittelt werden.
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Wenn die erfasste Außentemperatur oberhalb eines Grenzwertes ist, dann wird die Messeinheit 200 nicht aktiviert. Wenn jedoch die Außentemperatur unter diesen Grenzwert fällt, dann kann die Messeinheit aktiviert werden und die Heizeinheit bzw. das Heizregister 220 wird aktiviert und erwärmt die durch das Rohr durchströmende Luft. Durch das Erwärmen der durch das Rohr durchströmenden Luft werden nicht gelöste Wasseranteile geschmolzen und erhöhen damit die Luftfeuchtigkeit. Wenn jedoch keine Wasserpartikel oder gefrorene Wasserpartikel vorhanden sind, dann wird sich die relative Luftfeuchtigkeit durch das Erwärmen der durch das Rohr durchströmenden Luft verringern.
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Der Luftfeuchtigkeitssensor kann die relative oder absolute Luftfeuchtigkeit erfassen. Anhand der Temperatur, welche durch den zweiten Temperatursensor 240 gemessen wird (d. h. der Temperatur der Luft am zweiten Ende des Rohres 210) kann die relative Luftfeuchtigkeit am ersten Ende, d. h. beim Eintritt in das Rohr, ermittelt werden.
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Wenn Flüssigkeitspartikel oder Eispartikel in der Luft vorhanden sind, dann kann die ermittelte relative Luftfeuchtigkeit am Lufteintritt, d. h. am ersten Ende des Rohres, mehr als 100 % betragen. Wenn die Außentemperatur unterhalb eines Grenzwertes liegt und die relative Luftfeuchtigkeit (am ersten Ende des Rohres) oberhalb eines Grenzwertes liegt, dann kann die Gefahr der Vereisung der Rotorblätter bestehen, so dass die Blattheizung aktiviert werden kann.
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Ist jedoch die Außentemperatur unterhalb eines ersten Grenzwertes und die Luftfeuchtigkeit ebenfalls unterhalb eines Grenzwertes, dann ist nicht von einer Vereisung auszugehen, so dass die Blattheizung nicht aktiviert werden muss. Damit kann der Ertrag der Windenergieanlage gesteigert werden, da die andernfalls für die Blattheizung benötigte Energie an das elektrische Energieversorgungsnetz abgegeben werden kann.
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Gemäß der Erfindung kann bei der Erfassung der Luftfeuchtigkeit auch gebundene Feuchtigkeit beispielsweise in Form von Wasser oder Eis mit berücksichtigt werden. Gemäß der Erfindung kann auch die Erfassung der Luftfeuchtigkeit erheblich verbessert werden, da diese nicht mehr um den Gefrierpunkt herum bestimmt werden muss.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Rotorblattheizung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Blattheizung 300 weist eine Blattheizungs-Steuereinheit 310, eine Heizeinheit 320 und optional einen Außentemperatursensor 330 auf. Die Blattheizung 300 ist mit der Messeinheit 200 gekoppelt und kann die Blattheizung in Abhängigkeit der Messwerte der Messeinheit aktivieren oder deaktivieren.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches beispielsweise auf dem ersten Ausführungsbeispiel von 2 beruhen kann, kann neben der Aktivierung der Blattheizung auch die Drehzahl der Rotorblätter reduziert werden, wenn beispielsweise erfasst wird, dass Regen oder Schnee vorhanden ist, um die Erosion der Rotorblätter der Windenergieanlage zu verringern.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Reduzierung der Drehzahl der Rotorblätter auch initiiert werden, wenn die Außentemperaturen oberhalb der Grenzwerte liegen. Mit der erfindungsgemäßen Messeinheit kann die Luftfeuchtigkeit exakt bestimmt werden. Dadurch, dass sich in der Luft befindlicher Regen und Schnee durch das Heizregister geschmolzen wird, kann es zu einer berechneten relativen Luftfeuchtigkeit von > 100 % kommen. Wenn dies der Fall ist und die Außentemperatur oberhalb eines Grenzwertes ist, dann wird die Blattheizung nicht aktiviert. Zusätzlich bzw. alternativ dazu kann jedoch die Drehzahl der Rotorblätter reduziert werden. Wenn gemäß der erfindungsgemäßen Messeinheit eine hohe Luftfeuchtigkeit erfasst wird, dann kann dies auf Regen oder anderen Niederschlag hindeuten. Wenn mit der erfindungsgemäßen Messeinheit somit Regen erfasst wird, dann kann gemäß der Erfindung die Drehzahl reduziert werden, um die Erosion der Rotorblätter zu verringern.
