DE20014238U1

DE20014238U1 - Heizsystem zur Enteisung von Rotorblättern von Windkraftanlagen

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Publication number: DE20014238U1
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Original assignee: WONNER MATTHIAS
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Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2010-08-18

Description

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2. Beschreibung:

Heizsystem zur Enteisung von Rotorblättern von Windkraftanlagen (anti-icing)

2.1 Hintergrund

Wie die Tragflächen von Flugzeugen bei bestimmten Umgebungsbedingungen vereisen können, tritt auch an Rotorblättern von Windkraftanlagen unter bestimmten Voraussetzungen Eisbildung auf. Tragflügel wie auch Rotorblätter sind in ihrer Form aerodynamisch fein abgestimmte Konstruktionen, die sehr empfindlich auf eine Veränderung ihrer äußeren Form reagieren. Bei Vereisung manifestieren sich Veränderungen der äußeren Gestalt in Form dünner Schichten bis hin zu mehreren Zentimeter dicken extrem geformten Ansätzen aus Eis. Dadurch wird die Aerodynamik derart nachhaltig gestört, daß Flugzeuge abstürzen würden, wenn nicht sichergestellt werden könnte, das Eis rechtzeitig zu entfernen oder erst gar nicht entstehen zu lassen. Die Folgen bei Windkraftanlagen sind gekennzeichnet durch geringeren Ertrag, höhere Lärmbelastung durch aerodynamisch verursachte Geräusche, eine stärkere Belastung der Komponenten bis hin zu Überieistung der Anlagen unter bestimmten Voraussetzungen.

Überschreitet die Vereisung ein bestimmtes Maß, müssen Windkraftanlagen stillgesetzt werden. Nicht unerwähnt soll hier die Gefahr des Eiswurfabwurfs, der sich drehenden Rotoren bleiben, die inzwischen auch immer mehr genehmigungsrechtliche Probleme mit sich bringt.

2.1 Stand der Technik

Im Flugzeugbau wird die Beheizung der Blattvorderkante des Tragflügels schon lange eingesetzt, um Eisansatz zuverlässig zu verhindern. Hierzu wird erwärmte Luft oder warme Abgase in den Hohlraum hinter der Vorderkante eingeblasen.

Auch die Rotorblätter von Windkraftanlagen sind leichte Konstruktionen, die über Hohlräume in Richtung der Blattachse verfugen. Die Zeichnungen Fig. 1, Fig.2 und Fig. 3 zeigen den Aufbau eines Rotorblattes mit Luftheizeinrichtung. Üblicherweise besteht ein Rotorblatt aus zwei verklebten Schalen (1, 2). In Längsrichtung des Blattes verlaufen mehrere Schottwände (3, 4), die beide Schalen des Blattes miteinander verbinden und so dem Blatt zusätzliche Stabilität verleihen. Aus Versuchen und der Erfahrung aus dem Flugzeugbau kann abgeleitet werden, daß nur ein kleiner Bereich des Rotorblattes, die Blattvorderkante, beheizt werden muß, damit Eisansatz verhindert werden kann. Der Rest des Blattes wird durch die aussen vorbei streichende, an der Vorderkante erwärmte, Luft weitgehend eisfrei gehalten. Durch Anpassungen der inneren Geometrie des Rotorblattes kann wie beim Flugzeugflügel ein Hohlraum hergestellt werden, in dem erwärmte Luft durch das Blatt geleitet werden kann. An der Blattspitze muß eine strömungsgünstige Umlenkung der Luft erfolgen (5, 6), damit diese wieder in Richtung Blattwurzel zurückströmen kann. Die Zirkulation erfolgt über elektrische Gebläse im Rotorblatt (7). Mindestens ein Hersteller von Windkraftanlagen bietet ein Luftheizungssystem bereits an, basierend auf der Offenlegungsschrift DE 195 28 862 Al, die Luft wird elektrisch beheizt. Dieses System soll eine Enteisung der Rotorblätter im Stillstand der Anlage ermöglichen, es handelt sich also um ein de-icing'System.

Ein anderer Ansatz besteht darin, die Wärme auf direkterem Wege in die Blattvorderkante einzuleiten, indem Folien mit elektrischen Widerstandsdrähten auf die Aussenseite aufgeklebt werden oder indem Heizdräthe (metallisch oder aus Kohlefaser) in die Oberfläche einlaminiert werden. Derart ausgerüstete Rotorblätter werden bereits in Finnland getestet. Gegenüber dem luftbeheizten System besteht der Vorteil, daß auch während des Betriebs der Anlage, bei drehendem Rotor, ausreichend viel Wärme genau dorthin transportiert werden kann, wo diese benötigt wird. Auch bei hohen Windgeschwindigkeiten (bis 15 m/s) wird erreicht, daß die Oberfläche eisfrei bleibt (anti-icing).

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2.2 Mängel der bekannten Ausführungen

Der Nachteil des erwähnten mit Warmluft betriebenen Systems ist darin zu sehen, daß die Anlage still gesetzt werden muß um sie zu beheizen. Der Hersteller gibt an, daß bei drehendem Rotor Schäden an den Gebläsen entstehen würden (Corrioliskräfte). Für die Heizung muß Strom teuer aus dem Netz bezogen werden, was nicht unerhebliche Betriebskosten verursacht. Durch die Stillstandzeiten entstehen überdies Ertragsverluste, die ebenfalls zu berücksichtigen sind. Leider kann recht kurze Zeit nach Wiederaufnahme des Betriebs erneut Eis aufwachsen, was wiederum zu den beschriebenen Nachteilen führt und dadurch bedingt, daß die Prozedur häufig wiederholt werden muß. Die Verfahren mit Widerstandsheizung gehen ökonomischer mit der eingesetzten elektrischen Energie um und können mit selbst erzeugtem Strom betrieben werden, wenn die Anlage in Betrieb ist und selbst Strom erzeugt. Dies kann betriebswirtschaftlich günstiger sein, als die Anlage still zu setzen. Letztere Systeme sind jedoch durch Blitzschlag gefährdet und im Falle der aufgeklebten Folien starker Erosion ausgesetzt. Bezeichnenderweise ist die Blitzschlaghäufigkeit in Finnland, wo diese Systeme gegenwärtig getestet werden, sehr gering. Demgegenüber ist die Blitzschlaghäufigkeit in Mittelgebirgslagen mit hoher Vereisungsgefahr jedoch sehr hoch (moderne Rotorblätter überstehen einen Blitzschlag in der Regel unbeschadet). Überdies muß zur Heizung hochwertiger elektrischer Strom eingesetzt werden, was sich betriebswirtschaftlich ungünstig auswirkt. Weitere Probleme ergeben sich für potentielle Käufer dadurch, daß diese sämtliche Gewährleistungsansprüche der Hersteller von Rotorblättern verlieren, wenn ein Widerstandsheizsystem in die Blattstruktur einlaminiert wird. Darüber hinaus sind die Kosten für letzteres System derart hoch, daß an einen wirtschaftlicher Einsatz derzeit kaum zu denken ist.

2.3 Aufgabenstellung

Ziel ist es ein kostengünstiges zuverlässiges System zu entwickeln, das die Heizung der Rotorblätter bei geringen Betriebskosten ermöglicht. Die Bestandteile des Systems sollen leicht herzustellen oder zu beschaffen sein und keinen Verlust von Gewährleistungsansprüchen an Komponentenlieferanten mit sich bringen. Das Enteisungssystem soll an verschiedenen Typen von Windkraftanlagen einsetzbar sein. Vorrangiges Ziel ist letztendlich die Erschließung von Standorten zur Stromerzeugung aus Wind unter ungünstigen klimatischen Voraussetzungen, wobei eine möglichst hohe Stromproduktion erreicht werden soll.

2.4 Problemlösung Grundlegende Voraussetzungen

Der übliche Aufbau von Rotorblättern bietet günstige Möglichkeiten für den Betrieb eines auf Luftzirkulation beruhenden Heizsystems, wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt. Die verwendete Materialien sind Faserverbundwerkstoffe, Schaumstoffteile und auch Holz. Die Ausbildung der durch die Stege (3,4) gebildeten Kammern oder Kanäle kann den Erfordernissen zur Luftführung angepasst werden. Insbesondere sind extreme Engpässe zu vermeiden. Hieraus ergibt sich jedoch eine Einschränkung bei der Anwendbarkeit des Systems. Nur Blätter von pitch-geregelten Windkraftanlagen bieten solche Voraussetzungen. Die beweglichen Flügeltips von stall-geregelten Anlagen sind nicht zur Luftdurchführung geeignet.

Die Blitzfangeinrichtung (8) an der Blattspitze, in der Regel ein massives Aluminiumteil, verfugt nebenbei auch über sehr günstige Wärmeleiteigenschaften. Hierdurch ergibt sich auch die Möglichkeit die Blattspitze mit Wärme zu versorgen. Die Verjüngung der Flügelgeometrie zur Blattspitze hin, bedingt eine allmähliche Verengung des Querschnitts und damit eine Beschleunigung der im Rotorblatt strömenden Luft. Dies ist ein erwünschter Vorgang, da sich hieraus ein deutlich höherer

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Wärmeübergang an der inneren Oberfläche ergibt. Auf diese Weise kann ein höherer Wärmefluß am äußeren Blattende erreicht werden, obwohl die Temperatur des Heizmediums Luft bereits geringer ist. Durch gekrümmte Leitelemente (5, 6) wird die Luft an der Blattspitze in Richtung Blatthinterkante gelenkt um auf der Rückseite zurück zu strömen. Ein Bitzableiterband (9) wird ebenfalls strömungsgünstig ausgeformt und durch die Leitelemente mit Spiel hindurchgeführt, um im Falle eines Blitzschlags diese nicht zu zerstören. Die Bitzfangeinrichtung nimmt über seine Kontaktfläche die Wärme auf, die dann über die Oberfläche der Blattspitze wieder abgegeben wird.

Zur Versteifung der Struktur des Rotorblattes werden üblicherweise Formteile aus Schaumstoff (10, 11) zwischen Lagen aus Faserverbundwerkstoff eingebracht. Hierdurch entstehen Kammern, die zur Versteifung der Struktur der Blattschalen beitragen und dadurch zu Gewichtseinsparung fuhren. Diese Formteile bewirken auch eine Verminderung des Wärmedurchgangs genau dort, wo dies auch im Hinblick auf das Heizssystem günstig ist, an den Flanken des Rotorblattes. Hierdurch wird der hier unerwünschte Wärmeverlust vermindert. Auch Rotorblätter aus Holzverbundwerkstoff sind geeignet, da die Blattvorderkante, wie bei den übrigen Konstruktionen aus Faserverbundwerkstoff ohne Einlegeteile besteht. Die Wandstärke der Blattschale wird zur Blattspitze hin dünner und hat damit einen geringeren Wärmedurchgangswiderstand als näher der Blattwurzel gelegene Bereiche. Damit ergeben sich günstige Voraussetzungen für eine ökonomische Verteilung der Wärme, dorthin wo sie in erster Linie benötigt wird, am äußeren Ende der Rotorblätter. Vereisung tritt vor allem dort auf, wo das Profil des Blattes am dünnsten ist und wo die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten an der äußeren Oberfläche herrschen (bis 200 km/h und mehr).

Die Einbringung der Wärme in den Luftstrom erfolgt über einen Wärmetauscher (12), die Wärmeversorgung erfolgt über ein Wärmeträgermedium, das in Schläuchen (13, 14) zum Wärmetauscher transportiert wird.

Kostengünstige Bereitstellung der Heizwärme

Zur Heizung der Rotorblätter werden im Betrieb in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors und der Windgeschwindigkeit 3 bis zu 10% der Nennleistung, möglicherweise auch mehr, als Heizenergie benötigt. Muß dieser Bedarf über elektrischen Strom gedeckt werden, ist eine genaue Kalkulation notwendig um festzustellen, ob sich die Maßnahme überhaupt lohnt. Andererseits entstehen bei der Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrischen Strom durch die Windkraftanlage Verluste, die nicht zu unterschätzen sind. Der mechanische Wirkungsgrad üblicher Getriebe liegt bei 95 bis 96%, der elektrische Wirkungsgrad des Generators liegt in der gleichen Größenordnung. Weitere Verluste entstehen in Komponenten der Leistungselektronik, wie z.B. in Umrichtern, die zunehmend eingesetzt werden. Zur Abfuhr der Verlustwärme dienen Wärmetauscher und Gebläse im Maschinenhaus der Windkraftanlage, die Abwärme über einen Luftstrom an die Umgebung abführen. Einige Anlagen sind auch wassergekühlt, die Wärme wird über Kühler auf dem Dach des Maschinenhauses an die Aussenluft abgegeben. Sowohl wassergekühlte als auch luftgekühlte Windkraftanlagen können so eingerichtet werde, daß die Nutzung der Abwärme möglich wird, wassergekühlte Anlagen verfugen jedoch über etwas günstigere Voraussetzungen zur Übertragung der Verlustwärme auf das Wärmeträgermedium des Heizsystems. Dennoch ist auch im Maschinenhaus einer luftgekühlten Anlage mit vertretbarem Aufwand eine Abwärmenutzung möglich. Die notwendigen Komponenten werden daher am Beispiel einer luftgekühlten Anlage beschrieben.

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2.5 Neuheiten

Die Neuerung im Zusammenhang mit der Beheizung von Rotorblättern von Windkraftanlagen besteht zunächst darin, daß die erforderliche Wärme nicht mit elektrischem Strom bereitgestellt wird, sondern wie unter Schutzanspruch 1.1 beschrieben aus einem Wärmeträgermedium bezogen wird. Des weiteren, daß diese Wärme entsprechend Schutzanpruch 1.2 aus der Abwärme der Komponenten der Windkraftanlage bezogen wird. Darüberhinaus stellt auch der Betrieb der Luftheizung während des stromerzeugenden Betriebs der Windkraftanlage, also bei drehendem Rotor, gemäß Schutzanspruch 1.3, eine Neuerung dar. Grundlegende Voraussetzung für den Betrieb der Rotoblattheizung unter den genannten Bedingungen ist die Verbindung des rotierenden Wärmeträgerkreises mit dem feststehenden Kreis im Maschinenhaus. Dies wird durch den Einsatz einer Drehdurchführung für das Wärmeträgermedium möglich wie unter Schutzanspruch 1.4 beschrieben.

2.6 Komponenten des Anti-Icing-Systems am Beispiel des Umbaus einer luftgekühlten Anlage

Die Beschreibung des Anti-Icing-Systems erfolgt anhand des Schemas, das in Fig. 4 dargestellt ist.

Die Flügel sind so aufgebaut, daß ein geschlossener Luftstrom darin zirkulieren kann, wobei die Luft von einem Gebläse, das auch bei drehendem Rotor betrieben werden kann, an der Blattvorderkante eingeblasen wird. Die Luft wird über einen Wärmetauscher (1) mit Hilfe eines Wärmeträgermediums, sowie alternativ über eine elektrische Heizung aufgeheizt. Die elektrische Beheizung kann die erforderliche Heizleistung zum Abtauen der Flügel bei stillstehendem Rotor zumindest für ein Rotorblatt bereitstellen, somit können die Blätter nacheinander oder gleichzeitig abgetaut werden. Über den Kreis des Wärmeträgers kann während dem Betrieb Abwärme des Generators und des Getriebes auf die Flügel übertragen werden. Bei kritischen Umgebungszuständen ist dieses System ständig in Betrieb.

Über eine Drehdurchfuhrung (2), Schleifringeinheit mit Gleitringeinheit für das Wärmeträgermedium, wird das Medium durch das Getriebe (4) geleitet und an Schläuche in der Rotorwelle (3) angeschlossen. Die Drehdurchführung (2) enthält ebenso alle erforderlichen Schleifringe zur Übertragung der elektrischen Leistung zum Antrieb der Pitchverstellung und die Steuerleitungen.

Im Ölkreislauf des Getriebes (4) befindet sich ein Medium/Öl-Wärmetauscher (5), der vom Wärmeträger durchströmt wird. Von diesem Wärmetauscher strömt der Wärmeträger durch die Drehdurchführung des Getriebes zur Nabe (10). Der kalte Strom aus der Nabe wird zu einem Wärmetauscher (6) im Heck des Maschinenhauses geführt.

Der Luftauslaß der Getriebeabluft am Heck des Maschinenhauses erhält eine Jalousieklappe (7), die von einem Federrücklaufmotor, wie er bei Brandschutzklappen eingesetzt wird, angetrieben wird. Im stromlosem Zustand ist die Jalousieklappe offen, so daß die Abluft ungehindert nach aussen strömen kann.

Im Winter wird die Jalousieklappe (7) geschlossen, so daß die Abluft durch einen Wasser/Luftwärmetauscher (6) strömen muß und dabei einen Teil der Abwärme an den Wärmeträger abgibt. Die Abluft strömt ins Maschinenhaus und wird durch den Ventilator des Ölkreises (8) nach aussen befördert, wenn eine bestimmte Temperatur im Maschinenhaus überschritten wird. Mit der Abwärme des Generators (9) wird der Wärmeträger vorgewärmt. Anschließend gelangt das Medium in den Wärmetauscher des Ölkreises (5) um dort weiter erwärmt zu werden.

Der derart erwärmte Wärmeträger wird in der Nabe (10) auf die drei Flügel verteilt und erwärmt die dort zirkulierende Luft. Dadurch werden die Flügel während kritischer Witterung bei laufender Anlage fortlaufend erwärmt. Die zur Verfügung stehende Wärme schwankt mit

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der variierenden Leistung der Windkraftanlage und wird in gewissem Umfang in der Flügelmasse gespeichert. Die Temperatur der Flügel wird jedoch nicht weit über der Umgebungstemperatur liegen. Damit ist keine höhere Belastung der Rotorblätter verbunden. Bei größeren Windgeschwindigkeiten steht deutlich mehr Heizleistung zur Verfügung. Eine unterstützende elektrische Heizung ist denkbar.

Die Regelung des Systems erfolgt mit Hilfe je zweier Anemometer und Windfahnen, die alle beheizt werden können. Bei Unterschreitung einer kritischen Temperatur (ca. 5°C) wird je einer der Sensoren beheizt. Auch die Schalen des Anemometers werden beheizt. Reifbildung wird durch die Differenz der Meßsignale der Anemometer, das Verhalten des unbeheizten Windrichtungsgebers, und die Leistungsabgabe der Windkraftanlage in Bezug auf die vom beheizten Anemometer ermittelte Windgeschwindigkeit festgestellt. Hieraus folgen regelungstechnische Eingriffe. Nicht zuletzt werden in bestimmten Zeitintervallen auch die sonst unbeheizten Sensoren abgetaut (Reset).

Anhang: Zeichnungen Fig. 1, Fig. 2, Fig3

Zeichnung Fig. 4
Bezugszeichenliste für Fig. 1 bis 4

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Bezugszeichenliste

Fig. 1: Längsschnitt durch ein Rotorblatt Fig. 2: Schnitt BB (vergrößert dargestellt) Fig. 3: Schnitt AA (vergrößert dargestellt)

1 obere Halbschale aus Faserverbundwerkstoff

2 untere Halbschale aus Faserverbundwerkstoff

3 Schottwand

4 Schottwand

5 Leitelement für die Luftströmung

6 Leitelement für die Luftströmung

7 Gebläse

8 Blitzfangeinrichtung

9 Blitzableiterband

10 Schaumstoffeinlage

11 Schaumstoffeinlage

12 Wärmetauscher (Wärmeträgermedium/Luft)

13 Schlauch für Wärmeträgermedium

14 Schlauch für Wärmeträgermedium

Fig. 4: Längsschnitt durch Maschinenhaus einer luftgekühlten Windkraftanlage

Verschaltung der Komponenten des Enteisungssystems

1 Wärmetauscher (Wärmeträgermedium/Luft)

2 Drehdurchführung für Wärmeträgermedium, Schleif- und Gleitringeinheit

3 Schläuche für Wärmeträgermedium in der Rotorwelle

4 ölkreislauf des Getriebes

5 Wärmetauscher (Wärmeträgermedium/Öl)

6 Wärmetauscher (Luft/Wärmeträgermedium)

7 Jalousieklappe

8 Ventilator

9 Generator

10 Rotornabe

Claims

1.1 Rotorblattheizung für Windkraftanlagen über einen im Rotorblatt zirkulierenden Luftstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme an den Luftstrom von einem Wärmeträgermedium überragen wird.

1.2 Rotorblattheizung nach Schutzanspruch 1.1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Wärmeübertragern im Kühlkreis des Getriebes und im Kühlstrom des Generators die Abwärme aus den energiewandelnden Komponenten an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium übertragen wird, das diesen Wärmestrom in die Rotornabe transportiert.

1.3 Rotorblattheizung nach einem der Schutzansprüche 1.1 und 1.2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb der Gebläse auch bei drehendem Rotor möglich ist, indem geeignete, gegenüber den aus der Rotation resultierenden Kräften unempfindliche Modelle eingesetzt werden.

1.4 Rotorblattheizung nach einem der Ansprüche 1.1, 1.2 und 1.3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf zwischen der Rotornabe und den relativ zum Rotor feststehenden Maschinenkomponenten durch eine Drehdurchführung für die Übertragung des Wärmeträgermediums (Gleitringeinheit) verbunden wird.