DE202006015047U1 - Ice warning system for wind power systems has sensor module and data logger, whereby data logger is connected by data lines to sensor module, to anemometer and to controller for wind power system - Google Patents

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Abstract

The ice warning system has a sensor module and a data logger, whereby the data logger is connected by data lines to the sensor module, to an anemometer and to the controller for the wind power system. The sensor module consists of a temperature sensor for measuring the air temperature, a sensor for measuring relative air humidity and a heatable specimen body. Independent claims are also included for the following: (A) a sensor module and a heatable sample body.

Description

Kurzfassung des theoretischen HintergrundesAbstract of the theoretical background

Ursache für die Vereisung von Windkraftanlagen ist das Vorhandensein von flüssigem Wasser, d.h. Vorhandensein von flüssigen Nebeltröpfchen bei Temperaturen unterhalb von 0°C. Um in den festen Aggregatzustand überzugehen benötigen die Nebeltröpfchen einen Kristallisationskeim. Als Kristallisationskeim können Staubteilchen, in der Luft befindliche Eiskristalle oder ein Gegenstand wirken. Sobald der Kristallisationskeim ein Nebeltröpfchen berührt erstarrt dieses. Kollidiert ein unterkühltes Nebeltröpfchen mit dem Rotorblatt einer Windkraftanlage, so erstarrt es schlagartig und friert auf dem Rotorblatt fest. So können innerhalb kurzer Zeit dicke Eisschichten auf der Vorderkante der Rotorblätter entstehen. Da unterkühltes Wasser und Eis bei gleicher Temperatur unterschiedliche Dampfdrücke besitzen, kann anhand von Temperatur und relativer Luftfeuchte auf das Vorhandensein von unterkühltem Wasser in der Luft geschlossen werden.reason for the Icing of wind turbines is the presence of liquid water, i. Presence of liquid fog droplets at temperatures below 0 ° C. To go into the solid aggregate state need the fog droplets a crystallization germ. As a crystallization germ dust particles, Airborne ice crystals or an object act. As soon as the crystallization germ touches a mist droplet it solidifies. collided a supercooled one fog droplets with the rotor blade of a wind turbine, it solidifies abruptly and freezes on the rotor blade. So can in a short time thick layers of ice form on the leading edge of the rotor blades. Since undercooled Water and ice have different vapor pressures at the same temperature, can be based on temperature and relative humidity on the presence of subcooled Water in the air to be closed.

Stand der TechnikState of the art

Die meisten herkömmlichen Sensoren zur Erkennung von Vereisung stammen aus dem Bereich der Luftfahrt. Ein Beispiel dafür ist der Rosemount Icing Detector. Der Rosemount Icing Detector zur Bestimmung von gefrierendem Nebel besteht aus einem zylindrischen Probekörper, der durch ein Piezo-Element zu mechanischen Eigenschwingungen angeregt wird. Beim Auftreten von gefrierendem Nebel lagert sich Eis an dem Probekörper an. Durch die zusätzliche Masse des Eises werden die Eigenfrequenzen der Mechanischen Schwingungen des Probekörpers geändert, was auf Eisansatz schließen läßt.The most conventional Sensors for the detection of icing come from the area of Aviation. An example for is the Rosemount Icing Detector. The Rosemount Icing Detector for Determination of freezing mist consists of a cylindrical Specimens by a piezo element is excited to mechanical natural oscillations. Upon occurrence from freezing mist, ice builds up on the specimen. By the additional The mass of the ice becomes the natural frequencies of the mechanical vibrations of the test piece changed, which suggests ice onset.

[Quelle: Mazin, I.P:Thermodynamics of Icing Cylinder for Measurements of Liquid Water Content in Supercooles Clouds][Source: Mazin, I.P: Thermodynamics of Icing Cylinder for Measurements of Liquid Water Content in Supercool Clouds]

Im Patent DE 38 83 733 T2 wird auf folgendes US Patent verwiesen, das einen Sensor zur Feststellung von gefrierendem Nebel beschreibt:
Das US Patent US-A-4 210 021 beschreibt einen Sensor, der aus einem beheizten Gehäuse besteht. Die der Luftströmung zugewandte Seite des beheizten Gehäuses stellt eine Arbeitsoberfläche dar, die mit Nebeltröpfchen zusammenstößt. Die Verdampfung der Nebeltröpfchen benötigt Energie, was eine Abkühlung dieser Oberfläche zur Folge hat. Die der Luftströmung abgewandte Seite des Gehäuses stellt eine zweite Arbeitsoberfläche dar, die nicht mit Nebeltröpfchen kollidiert. Diese Seite hat die Temperatur der Luft. Sind keine Nebeltröpfchen vorhanden, dann besitzen beide Oberflächen die gleiche Temperatur. Beim Vorhandensein von Nebeltröpfchen kühlt sich die der Luftströmung zugewandte Seite gegenüber der der Luftströmung abgewandten Seite ab. Auf diese Weise wird das Vorhandensein von Nebel, insbesondere von gefrierendem Nebel festgestellt.In the patent DE 38 83 733 T2 Reference is made to the following US patent, which describes a sensor for detecting freezing fog:
US Patent US-A-4 210 021 describes a sensor consisting of a heated housing. The airflow-facing side of the heated housing is a work surface that collides with droplets of mist. The evaporation of the mist droplets requires energy, resulting in a cooling of this surface. The air flow side facing away from the housing is a second working surface that does not collide with fog droplets. This site has the temperature of the air. If there are no fog droplets, then both surfaces have the same temperature. In the presence of mist droplets, the air flow side facing away from the air flow side facing away from cools. In this way, the presence of fog, especially of freezing fog is detected.

Ein Eiswarnsystem, dass nicht aus der Luftfahrt stammt wurde von der Firma Igus GmbH entwickelt. Das Eiswarnsystem der Firma Igus GmbH mißt über Sensoren in den Rotorblättern die Mechanischen Eigenschwingungen der Rotorblätter der Windkraftanalge. Bei Eisansatz an den Rotorblättern ändern sich die Eigenfrequenzen der Rotorblattschwingungen. So kann die Dicke der Eisschicht auf den Rotorblättern berechnet werden.One Ice alert system that was not from the aviation industry was from the Company Igus GmbH developed. The ice alert system of Igus GmbH measures over sensors in the rotor blades the mechanical natural vibrations of the rotor blades of Windkraftanalge. at Ice accumulation on the rotor blades change the natural frequencies of the rotor blade vibrations. So can the thickness the ice layer on the rotor blades be calculated.

Problemstellungproblem

Die im Stand der Technik beschriebenen Konstruktionen bringen folgende Probleme mit sich:
P1: Der Massenstrom der Nebeltröpfchen wird nicht ermittelt, die Windgeschwindigkeit wird auch nicht ermittelt. Dadurch wird der Wassergehalt des Nebels nicht festgestellt. Der Sensor zeigt an, ob Vereisung stattfindet aber nicht in welchen Umfang die Vereisung stattfindet. Die genaue Beschaffenheit des gefrierenden Nebels ist aber wichtig für die Berechnung der Eisschichtdicke an jedem Teil der Windkraftanlage.
P2: Für den Betrieb von Windkraftanlagen ist es zudem wichtig, dass die Windkraftanlage nach dem Verschwinden des gefrierenden Nebels und nach dem Verschwinden der Eisschicht durch Sublimation, wieder automatisch in Betrieb genommen wird. Die vorher genannten Eiswarnsysteme ermitteln nicht die Geschwindigkeit, mit der die Eisschicht von der Windkraftanlage sublimiert.
P3: Eiswarnsysteme, die über die Eigenfrequenz der Schwingung der Rotorblätter den Eisansatz an den Rotorblättern bestimmen können auch Daten den Abbau der Eisschicht auf den Rotorblättern liefern. Sie benötigen aber Sensoren, die in den Rotorblättern angebracht werden müssen. Dies ist aufwendig und verursacht hohe Kosten.The constructions described in the prior art involve the following problems:
P1: The mass flow of the mist droplets is not determined, the wind speed is not determined. As a result, the water content of the mist is not detected. The sensor indicates whether icing is taking place but not to what extent the icing takes place. However, the exact nature of the freezing mist is important for calculating the ice sheet thickness at each part of the wind turbine.
P2: For the operation of wind turbines, it is also important that the wind turbine is automatically restarted after the disappearance of the freezing mist and after the disappearance of the ice layer by sublimation. The aforementioned ice warning systems do not determine the speed with which the ice sheet from the wind turbine sublimates.
P3: Ice warning systems that determine the ice accumulation on the rotor blades via the natural frequency of the vibration of the rotor blades can also provide data on the degradation of the ice layer on the rotor blades. But you need sensors that need to be mounted in the rotor blades. This is expensive and causes high costs.

Beschreibung der Erfindung.Description of the invention.

Die Probleme P1 bis P3 werden durch folgende Erfindung gelöst.The Problems P1 to P3 are solved by the following invention.

Das Eiswarnsystem besteht aus einem Datenlogger und einem Sensormodul (2: (1)), das auf der Gondel der Windkraftanlage montiert ist. Der Datenlogger ist zudem mit dem Anemometer und mit der Steuerung der Windkraftanlage verbunden, und erhält so Informationen über die Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage. Ein Beispiel für den Aufbau des Eiswarnsystems ist in 1 zu sehen. Das Sensormodul beinhaltet Sensoren zur Messung von Lufttemperatur und relativer Luftfeuchte sowie einen Probekörper (2: (2)). Der Probekörper wird mit einer konstanten elektrischen Leistung beheizt und enthält einen Temperatursensor. Die Temperatur des Probekörpers ist so zu jeder Zeit bekannt. Weiterhin ist der Probekörper so auf der Gondel der Windkraftanlage befestigt, dass er vom Wind ungehindert umströmt wird.The ice alert system consists of a data logger and a sensor module ( 2 :( 1 )), which is mounted on the nacelle of the wind turbine. The datalogger is also connected to the anemometer and the wind turbine control system for information about the speed of the wind turbine rotor. An example of the structure of the ice warning system is in 1 to see. The sensor module contains sensors for measuring air temperature and relative humidity as well as a test specimen ( 2 :( 2 )). The specimen is filled with a heated constant electric power and includes a temperature sensor. The temperature of the specimen is known at any time. Furthermore, the specimen is mounted on the nacelle of the wind turbine so that it is flowed around freely by the wind.

Liegt kein gefrierender Nebel vor, so wird die Wärme aus dem elektrisch beheizten Probekörper fast ausschließlich durch Konvektion an die umgebende Luft übertragen. Herrscht kein gefrierender Nebel vor, so ist die Wärmeübertragung durch Konvektion und somit auch die Temperatur des Probekörpers ausschließlich abhängig von der Windgeschwindigkeit.Lies no freezing mist, so the heat is from the electrically heated Test specimen almost exclusively transferred by convection to the surrounding air. There is no freezing fog before, so is the heat transfer by convection and thus the temperature of the specimen exclusively dependent on the wind speed.

Beim Auftreten von gefrierendem Nebel kollidieren Nebeltröpfchen mit dem Probekörper und bleiben auf ihm haften. Da die Oberflächentemperatur des Probekörpers über der Lufttemperatur liegt, beginnen die auf der Oberfläche des Probekörpers haftenden Nebeltröpfchen zu verdunsten. In diesem Fall wird die Wärme aus dem elektrisch beheizten Probekörper durch Konvektion und zusätzlich über den Wasserdampf an die umgebende Luft abgeführt. Durch den erhöhten Wärmeübergang sinkt die Temperatur des Probekörpers. Das zusätzliche Absinken der Temperatur ist ein Maß für die menge an Wasser, die auf der Oberfläche des Probekörpers verdunstet. Auf diese Weise wird der Wassermassenstrom berechnet, der mit dem Probekörper kollidiert.At the The occurrence of freezing mist collides with fog droplets the test piece and stick to it. As the surface temperature of the specimen exceeds the Air temperature is low, start on the surface of the Specimen adhering fog droplets to evaporate. In this case, the heat from the electrically heated specimen through Convection and additionally over the Water vapor dissipated to the surrounding air. Due to the increased heat transfer the temperature of the test specimen decreases. The extra Decreasing the temperature is a measure of the amount of water that on the surface of the test piece evaporates. In this way, the water mass flow is calculated, the one with the test piece collided.

Bei Schneefall kommt es ebenfalls zur Kollision von Schneeflocken mit dem Probekörper. Die Schneeflocken bleiben ebenfalls auf dem Probekörper haften, da seine Temperatur über dem Gefrierpunkt liegt. In diesem Fall wird ebenfalls Wasser auf der Oberfläche des Probekörpers verdunstet. Anhand der Lufttemperatur und der relativen Luftfeuchte erkennt der Datenlogger aber, daß kein unterkühltes Wasser in der Atmosphäre vorhanden ist und somit kein gefrierender Nebel vorherrscht.at Snowfall is also involved in the collision of snowflakes the test piece. The snowflakes also stick to the specimen, because its temperature is over the freezing point. In this case, water will also be on the surface of the test piece evaporates. Based on the air temperature and the relative humidity recognizes the datalogger but that no supercooled water in the atmosphere is present and thus no freezing fog prevails.

Der Datenlogger berechnet anhand von Lufttemperatur, relativer Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Rotordrehzahl und Temperatur des Probekörpers den Massenstrom der Nebeltröpfchen, die sich auf den verschiedenen Bauteilen der Windkraftanlage ablagern. Hat die errechnete Eisschichtdicke an einem vorher festgelegten Bauteil der Windkraftanlage einen festgelegten Wert überschritten, so setzt das Eiswarnsystem die Windkraftanlage außer Betrieb.Of the Data logger calculated on the basis of air temperature, relative humidity, Wind speed, rotor speed and temperature of the specimen Mass flow of the mist droplets, which are deposited on the various components of the wind turbine. Has the calculated ice layer thickness at a predetermined Component of the wind turbine exceeded a specified value, The ice warning system puts the wind turbine out of operation.

Liegt kein gefrierender Nebel mehr vor, so beginnt die Eisschicht durch Sublimation zu schrumpfen. Das Eiswarnsystem ermittelt anhand der Lufttemperatur, der Windgeschwindigkeit und der relativen Luftfeuchte die Massenabnahme der Eisschicht durch Sublimation. Unterschreitet die Dicke der Eisschicht einen festgelegten zulässigen Wert, dann setzt das Eiswarnsystem die Windkraftanlage automatisch wieder in Betrieb.Lies If there is no freezing mist, the ice layer begins Sublimation to shrink. The ice alert system uses the Air temperature, wind speed and relative humidity the mass decrease of the ice layer by sublimation. falls below the thickness of the ice layer a set allowable value, then that sets Ice alert system automatically restarts the wind turbine.

Claims (3)

Eiswarnsystem dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Sensormodul und einem Datenlogger besteht, wobei der Datenlogger über Datenleitungen mit dem Sensormodul, mit einem Anemometer und der Steuerung der Windkraftanlage verbunden ist.Ice warning system characterized in that it consists of a sensor module and a data logger, wherein the data logger is connected via data lines to the sensor module, with an anemometer and the control of the wind turbine. Sensormodul dadurch gekennzeichnet dass das Sensormodul aus einem Temperatursensor zur Messung der Lufttemperatur, einem Sensor zur Messung der relativen Luftfeuchte und einem beheizbaren Probekörper besteht.Sensor module characterized in that the sensor module from a temperature sensor for measuring the air temperature, a Sensor for measuring the relative humidity and a heatable specimens consists. Beheizbarer Probekörper dadurch gekennzeichnet dass er elektrisch beheizt wird und so angeordnet ist, dass er vom Wind auf der Gondel der Windkraftanlage umströmt wird.Heatable specimen characterized that it is heated electrically and is arranged so that it from Wind on the nacelle of the wind turbine is flowing around.
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