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Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung und einem Verfahren zur Eisvorhersage an mindestens einem Rotorblatt einer Windkraftanlage nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Derartige Sensoranordnungen und Verfahren werden insbesondere benötigt, um Rotorblättern von Windkraftanlagen zu schützen.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind aus der Druckschrift
DE 100 65 314 B4 Ultraschalluntersuchungen von Rotorblättern von Windkraftanlagen bekannt.
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Darauf aufbauend schlägt die Druckschrift
DE 10 2013 002 927 eine autarke Energieversorgung für entsprechende Sensorsysteme vor.
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Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, dass dabei nur der Zustand der Rotorblätter untersucht wird, so dass eine Detektion erst erfolgt, sobald ein Schaden bereits eingetreten ist.
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Es ist weiterhin bekannt, bereits entsprechende Schadensursachen, nämlich die Eisbildung an den Rotorblättern, vorherzusagen. Schließlich kann es bei bestimmten Wetterbedingungen zu Eisbildung an den Rotorblättern kommen. Diese mindert den Wirkungsgrad, da sie die Form und damit das aerodynamische Profil der Blätter verändert. Auch kommt es durch die Eisbildung häufig zu einer Unwucht des Rotors sowie zu einer Gewichtszunahme der Blätter. Die Folge sind ein höherer Schallpegel sowie Vibrationen, die wiederum die Belastungen der Anlage erhöhen und sich negativ auf die Lebensdauer der Windkraftanlage auswirken. Zudem können herabfallende Eisbrocken (der sogenannte „Eiswurf“) eine Gefahr insbesondere auch für Menschen darstellen.
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Es ist bekannt, Windkraftanlagen automatisch abzuschalten, sobald die Umgebungstemperatur 4°C unterschreitet. Dies ist jedoch mit erheblichen Ertragseinbußen verbunden und ist leider auch nicht immer ausreichend.
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Weiterhin ist es bekannt, die Rotorblätter, z.B. ab dieser Umgebungstemperatur von 4°C, zu beheizen. Dies ist jedoch mit einem hohen Energieaufwand verbunden.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, möglichst effektiv und kostengünstig Schäden vorzubeugen, welche durch Eisbildung an Rotorblättern von Windkraftanlagen, entstehen.
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Insbesondere soll anhand von Umweltparametern möglichst genau vorgesagt werden, ob und/oder an welcher Stelle sich Eis an den Rotorblättern innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums bilden wird.
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Diese Aufgabe wird mit einer Sensoranordnung und einem Verfahren zur Eisvorhersage durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Ausfallzeiten der Windkraftanlage reduziert werden, weil die Windkraftanlage durch die besonders hohe Genauigkeit der Vorhersage nur dann abgeschaltet werden muss, wenn es unbedingt notwendig ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Energieaufwand zur Beheizung der Rotorblätter reduziert wird, da die Rotorblätter zur Vermeidung der Eisbildung nur zu Zeitpunkten und/oder an denjenigen Stellen beheizt werden müssen, an denen es unbedingt erforderlich ist.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Eisvorhersage an mindestens einem Rotorblatt einer Windkraftanlage weist Folgendes auf:
- - Mindestens eine erste Sensoreinheit, welche an der Oberfläche des mindestens einen Rotorblattes angeordnet ist, um zumindest einen ersten Parameter an der Oberfläche des Rotorblattes zu messen;
- - Mindestens eine zweite Sensoreinheit, die innerhalb einer festgelegten Umgebung der ersten Sensoreinheit angeordnet ist, um die Parameter der das Rotorblatt umgebenden Luft zu messen.
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Dabei kann die festgelegte Umgebung durch eine Mindestentfernung Mmin und eine Maximalentfernung Mmax definiert sein. Dabei kann die Mindestentfernung Mmin vorteilhafterweise so festgelegt sein, dass der Einfluss der Rotorblätter keine wesentliche Relevanz für das Messergebnis der zweiten Sensoreinheit besitzt. Die Maximalentfernung MMax kann so festgelegt sein, dass das Messergebnis maßgeblich für die Eigenschaften der den Rotorblättern zuströmenden Luft ist.
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Beispielsweise kann gelten:
| | 0,5 Meter < MMin und MMax < 500 Meter, |
| insbesondere | 1 Meter < MMin und MMax < 250 Meter, |
| insbesondere | 2 Meter < MMin und MMax < 150 Meter, |
| insbesondere | 4 Meter < MMin und MMax < 100 Meter. |
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Im letzteren Fall kann die festzulegende Entfernung zwischen der ersten und der zweiten Sensoreinheit also zwischen 4 und 100 Metern betragen, wobei zu berücksichtigen ist, dass die erste Sensoreinheit an dem Rotorblatt angeordnet ist, sich also, insbesondere bei stationärer Anordnung der zweiten Sensoreinheit, in Bezug auf die zweite Sensoreinheit im Betrieb der Windkraftanlage bewegen kann. Eine geeignete Entfernung zwischen der ersten und der zweiten Sensoreinheit kann letztlich also empirisch ermittelt werden und könnte z.B. bei entsprechender Stellung der Rotorblätter 10 Meter und bei einer anderen Stellung der Rotorblätter 80 Meter betragen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die zweite Sensoreinheit an einem Turm der Windkraftanlage befestigt sein. Dies ist vorteilhaft, weil sie an dieser Stelle mit nur geringem Aufwand montierbar und, z.B. zu Wartungszwecken, demontierbar ist.
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Zur Temperaturmessung ist es selbstverständlich vorteilhaft, wenn die Sensoreinheiten jeweils zumindest einen Temperatursensor aufweisen.
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Zur Messung der Luftfeuchtigkeit ist es selbstverständlich vorteilhaft, wenn die Sensoreinheiten jeweils zumindest einen Feuchtigkeitssensor aufweisen.
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Zur Auswertung von Messdaten der Sensoreinheiten ist es vorteilhaft, wenn die Sensoranordnung eine Auswerteinheit besitzt. Insbesondere kann die Auswerteinheit eine eigene Datenschnittstelle, insbesondere eine Funkschnittstelle, beispielsweise eine WLAN-Schnittstelle, besitzen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteinheit in oder an einer der Sensoreinheiten, bevorzugt der zweiten Sensoreinheit, angeordnet sein. Dies ist von Vorteil um die Kosten der Anlage zu reduzieren, weil dann kein separates Gehäuse für die Auswerteinheit benötigt wird. Weiterhin kann eine einzige gemeinsame Datenschnittstelle, insbesondere eine Funkschnittstelle, beispielsweise eine WLAN-Schnittstelle, für die Auswerteinheit und die entsprechende Sensoreinheit verwendet werden, wodurch weitere Kosten gespart werden können.
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Die Auswerteinheit kann aber auch in einer separaten Zentraleinheit angeordnet sein. Sie kann dann eine eigene Datenschnittstelle zum Empfang der Messdaten der Sensoreinheiten aufweisen.
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Mindestens eine der Sensoreinheiten, beispielsweise die erste Sensoreinheit, kann eine Datenschnittstelle aufweisen, um ihre Messdaten an die Auswerteinheit zu übertragen. Bevorzugt können sämtliche Sensoreinheiten mit einer Datenschnittstelle ausgestattet sein.
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Die Auswerteinheit kann einen Mikroprozessor und einen kombinierten Programm-/Datenspeicher mit einem Auswertprogramm zur Auswertung der Messdaten und insbesondere zur Bestimmung eines sogenannten „Taupunktes“ aufweist.
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Das Verfahren zur Eisvorhersage an mindestens einem Rotorblatt einer Windkraftanlage, weist folgende Schritte auf:
- a. Ermitteln von zu einem Parametersatz gehörenden Messdaten an mindestens einer Position an der Oberfläche des Rotorblattes durch mindestens eine erste Sensoreinheit;
- b. gleichzeitiges Ermitteln von zu demselben Parametersatz gehörenden zweiten Messdaten innerhalb einer festgelegten Umgebung der ersten Sensoreinheit;
- c. Auswerten der ersten und zweiten Messdaten durch eine Auswerteinheit und Treffen einer Vorhersage über die Eisbildung an der mindestens eine Position innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums.
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Dieses Verfahren besitzt den großen Vorteil, dass nicht nur die Messdaten am Rotorblatt oder die Messdaten an einer anderen Position zur Auswertung herangezogen werden, sondern die Kombination beider Messdaten. Schließlich ist es für die Vorhersage über die Eisbildung wichtig, auch die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der umgebenden Luft zu kennen. Durch deren Abkühlung und insbesondere auch durch die Änderung der Luftfeuchtigkeit auf die Werte, die im Bereich des jeweiligen Rotorblattes vorherrschen, kann dann eine wesentlich genauere Eisvorhersage, d.h. eine Vorhersage über die Eisbildung, erfolgen.
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Dazu können vor dem Schritt c. die ersten und/oder die zweiten Messdaten an die Auswerteinheit übertragen werden. Die Auswerteinheit kann anhand der ersten und der zweiten Messdaten in dem Verfahrensschritt c. zumindest die Temperatur und die Feuchtigkeit als Parameter des Parametersatzes auswerten.
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Die Auswerteinheit kann in Verfahrensschritt c. insbesondere den sogenannten „Taupunkt“ berechnen.
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Durch die Verwendung mehrerer erster Sensoren an dem mindestens einen Rotorblatt kann dieses Rotorblatt entsprechend der Auswertung in Verfahrensschritt c. an der mindestens einen Stelle selektiv, insbesondere elektrisch, beheizt werden, um die Eisbildung zu verhindern. Dies hat den Vorteil, dass dabei Energie gespart wird, da das Rotorblatt nur an den notwendigen Stellen beheizt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Auswerteinheit in oder an dem Turm der Windkraftanlage angeordnet sein. In einer anderen Ausgestaltung kann sich die Auswerteinheit auch an irgendeinem anderen Ort befinden. Beispielsweise kann sie auch über eine Internetverbindung mit den Sensordaten versorgt werden und so eine zentrale Steuerung ermöglichen.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
- 1 a-d eine Windkraftanlage mit mehreren Sensoreinheiten und einer Auswerteinheit.
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Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein.
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Die 1a zeigt eine Windkraftanlege mit einem Turm 1 und mehreren Rotorblättern 3. Exemplarisch ist an einem der Rotorblätter 3 eine erste Sensoreinheit 2 mit einer dazugehörigen ersten Datenschnittstelle in Form einer ersten Funkschnittstelle 21 angeordnet.
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Am Turm 1 ist eine zweite Sensoreinheit 2' mit einer dazugehörigen zweiten Datenschnittstelle in Form einer zweiten Funkschnittstelle 21' angebracht.
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Weiterhin existiert außerhalb des Turms eine Auswerteinheit 4 mit einer eigenen Datenschnittstelle in Form einer Auswerteinheits-Funkschnittstelle 41.
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Die Sensoreinheiten besitzen jeweils Sensoren, nämlich zumindest einen Temperatursensor und einen Feuchtigkeitssensor zum Messen der Lufttemperatur und der Luftfeuchtigkeit.
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Die Auswerteinheit 4 besitzt neben ihrer Funkschnittstelle einen kombinierten Programm-/Datenspeicher mit einem Auswertprogramm zur Auswertung der zu empfangenden Sensordaten und insbesondere zur Bestimmung eines sogenannten „Taupunktes“ aus diesen Daten.
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Beide Sensoreinheiten 2, 2' messen mit ihren Sensoren die Lufttemperatur und -feuchtigkeit an den entsprechenden Stellen und senden ihre Sensordaten über ihre jeweilige Funkschnittstelle 21, 21' an die Auswerteinheit 4. Die Übertragung der Daten der ersten Sensoreinheit 2 kann insbesondere einmal pro vollständiger Umdrehung der Rotorblätter 3 erfolgen, nämlich immer dann, wenn die sich entsprechende Sensoreinheit 2 besonders nahe an der Auswerteinheits-Funkschnittstelle 41 befindet. Die Übertragung der Daten der zweiten Sensoreinheit 2' kann in den entsprechenden Sendepausen der ersten Funkschnittstelle 21 stattfinden.
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Mit diesen Daten können die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur sowohl in der Umgebung als auch an der Oberfläche der Rotorblätter 3 an zumindest einer Position, nämlich der Position der ersten Sensoreinheit 2 am jeweiligen Rotorblatt, ausgewertet werden. Daraus lässt sich tatsächlich eine sehr genaue Eisvorhersage, d.h. eine Vorhersage über die Eisbildung, zumindest an der besagten Position der ersten Sensoreinheit 2 innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums, treffen. Der vorgegebene Zeitraum kann so festgelegt sein, dass sich die Umweltbedingungen in diesem Zeitraum nicht wesentlich ändern. Zweckmäßigerweise kann als vorgegebener Zeitraum auch ein Zeitraum gewählt werden, in dem sich die Rotorblätter einmal vollständig gedreht haben und die nächste Messung mit einer dazugehörigen Datenübertragung erfolgen kann.
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Die 1b zeigt eine vergleichbare Anordnung, bei der jedoch die Auswerteinheit 4 in die zweite Sensoreinheit 2' integriert oder zumindest daran angefügt ist. Dadurch kann die Funkschnittstelle 41 der Auswerteinheit eingespart werden. Weiterhin kann durch eine Integration der Auswerteinheit 4 in die zweite Sensoreinheit 2' ein Gehäuse eingespart werden, weil die Auswerteinheit 4 so im selben Gehäuse angeordnet sein kann wie die zweite Sensoreinheit 2'.
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In der 1c ist eine Anordnung mehrerer ersten Sensoreinheiten 2 gezeigt. Diese könnten, wie in den vorherigen Beispielen gezeigt, ihre Daten direkt an die Auswerteinheit 4 senden. Im vorliegenden Fall ist aber eine Variante gezeigt, bei welcher die ersten Sensoreinheiten 2 ihre Sensordaten an die zweite Sensoreinheit 2' senden. Die zweite Sensoreinheit 2' kann diese Sensordaten zusammen mit ihren eigenen Sensordaten an die Auswerteinheit 4 übertragen. Diese Variante ist besonders vorteilhaft, weil die Funkschnittstelle 21' der zweiten Sensoreinheit 2', zumindest bei geeigneter Stellung der Rotorblätter 3, besonders nahe an den Funkschnittstellen 21 der ersten Sensoren 2 angeordnet ist. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn die ersten Sensoreinheiten 2 durch ein sogenanntes „Energy Harvesting“ betrieben werden, das sich dadurch auszeichnet, dass mechanische Bewegungs-/Rotations-/Vibrationsenergie in elektrische Energie umgesetzt wird. Schließlich erhöht dies zwar einerseits die Wartungsfreundlichkeit der ersten Sensoreinheiten, verringert jedoch ihre potentielle Reichweite, da die so zur Sendeleistung zur Verfügung stehende elektrische Energie begrenzt ist.
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Die zweite Sensoreinheit 2' dagegen ist stationär am Turm 1 angebracht und kann daher z.B. durch eine elektrische Zuleitung gespeist werden. Außerdem kann die Auswerteinheit 4 in der Nähe der zweiten Sensoreinheit 2' angeordnet sein. Dabei kann die zweite Sensoreinheit 2' problemlos mit der Auswerteinheit 4 kommunizieren, da beide stationär, d.h. unabhängig von der Position der Rotorblätter 3, angeordnet sind und ihr Abstand somit konstant ist.
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Die 1d zeigt eine Anordnung, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine einzige erste Sensoreinheit 2 exemplarisch für sämtliche ersten Sensoreinheiten aller Rotorblätter 3 dargestellt ist. Die stationär am Turm 1 befestigte zweite Sensoreinheit 2' ist über eine Datenleitung, in diesem Fall über eine elektrische Datenleitung 5, mit der Auswerteinheit 4 über deren elektronische Datenschnittstelle 41' verbunden. Die Auswerteinheit 4 befindet sich in dieser Darstellung im Inneren des Turms 1 und ist daher - wie auch die Datenleitung 5 - gestrichelt dargestellt.
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Die Anordnung der Auswerteinheit 4 im Turm 1, wie sie der in der 1d dargestellten Ausführungsform entspricht, ist besonders vorteilhaft, weil auf diese Weise eine besonders zuverlässige Auswertung und damit auch ein besonders zuverlässiger Regelkreis, z.B. in einer weiteren Ausführung mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen Heizung, herstellbar ist. In dieser weiteren Ausführung weist diese Heizung für jedes Rotorblatt 3 mehrere einzeln ansteuerbaren Heizsegmente auf. Dadurch können jeweils immer nur diejenigen Bereiche des jeweiligen Rotorblattes 3 beheizt werden, an denen eine akute Eisgefahr existiert. Dadurch wird die Effizienz einer solchen Beheizung erheblich gesteigert.
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Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutieren Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turm
- 2
- erste Sensoreinheit
- 21
- Funkschnittstelle der ersten Sensoreinheit
- 2'
- zweite Sensoreinheit
- 21'
- Funkschnittstelle der zweiten Sensoreinheit
- 3
- Rotorblätter
- 4
- Auswerteinheit
- 41
- Auswerteinheits-Funkschnittstelle
- 41'
- elektronische Datenschnittstelle der Auswerteinheit
- 5
- elektrische Datenleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10065314 B4 [0003]
- DE 102013002927 [0004]
