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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung von Wettermasten
an Windenergieanlagen.
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Stand der Technik
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Auf
Windenergieanlagen werden zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit
und der Windrichtung verschiedene Arten von Anemometern und Windfahnen
eingesetzt. Diese sind an Wettermasten befestigt, welche sich üblicherweise
auf dem Dach der Gondel der Windenergieanlage befinden. Die Wettermasten
bestehen jeweils aus einem Ständer und einem Blitzschutzkäfig,
welcher die auf dem Wettermast montierten Sensoren zum Schutz vor
Blitzschlag umgibt. Unter bestimmten meteorologischen Bedingungen,
speziell zwischen 0 und –10°C vereisen außen
liegende Komponenten von Windenergieanlagen, wie beispielsweise
Windsensoren und Wettermasten. Dies kann zu unerwünscht
hohen mechanischen Belastungen und zu Ungenauigkeiten in den Messungen
führen.
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Gegenmaßnahmen,
wie die in der
DE
20 2006 000 816 U1 beschriebenen beheizten Windsensoren,
helfen hier nur bedingt weiter, da auch die Blitzschutzkäfige
der Wettermasten vereisen. Dieser Eisansatz verändert die
Strömungsverhältnisse am Windsensor, wodurch die
Messwerte stark verfälscht werden.
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Der
Verzicht auf einen umhüllenden Blitzschutzkäfig
(Faradayscher Käfig) führt erfahrungsgemäß zur
Zerstörung der Windsensoren bei Blitzeinschlag.
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In
EP 2 154 364 A1 wird
eine Windenergieanlage offenbart, bei welcher ein Kühlluftauslass
der Gondel auf die Anemometer gerichtet ist und somit die Abwärme
des Rotors für eine Erwärmung der Umgebungsluft
der Anemometer sorgen soll. Nachteil dieser Veröffentlichung
ist es, dass durch den Abluftstrom die ungestörte Windmessung
beeinträchtigt wird und es zu Verfälschungen der
Messergebnisse, insbesondere der Messung der Windrichtung, kommt.
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Auch
in
DE 10 2007
042 338 A1 wird eine Windkraftanlage mit Wärmetauschersystem
beschrieben, wobei die Wärmeaufnahmeeinheit innerhalb der
Gondel im und/oder am Generator und die Wärmeabgabeeinheit
außerhalb der Gondel an deren Oberfläche angeordnet
ist. Die Abwärme des Generators wird zum Erwärmen
bestimmter Teile der Windkraftanlage, wie beispielsweise Getriebe,
Lager oder Elektronik genutzt, indem Verbindungsschläuche
an kälteempfindlichen Bauteilen vorbeigeführt werden.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik
zu beseitigen und die Wettermasten einer Windenergieanlage eisfrei
zu halten.
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Die
erfindungsgemäße Idee besteht darin, den Wettermast
aus miteinander verbundenen Rohrleitungen zu fertigen. Diese werden
von einem Wärme abgebenden Fluid durchströmt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Wettermast direkt vom Kühlmittel
der Abwärme erzeugenden Komponenten der Windenergieanlage durchströmt.
Alternativ kann das Wärme abgebende Fluid über
einen Wärmetauscher geführt werden, welcher mit
einer Wärme abgebenden Einrichtung verbunden ist. Dadurch
wird der Wettermast bei Anlagenbetrieb automatisch ohne zusätzlichen
Energieaufwand eisfrei gehalten.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung befindet sich zwischen der Zuleitung
und der Ableitung des Wettermastes ein Bypass, in welchem eine Pumpe angeordnet
ist. Dieser Bypass wird über ein Zulauf-Ventil und über
ein Ablauf-Ventil so gesteuert, dass zwischen einem ersten und einem
zweiten Kreislauf umgeschaltet werden kann. Der erste Kreislauf
steht mit dem Kühlsystem der Wärme abgebenden
Komponenten der Windenergieanlage in Verbindung. So lange die Komponenten
im Betrieb der Windenergieanlage ausreichend Abwärme erzeugen,
erfolgt die Beheizung des Wettermastes über diesen ersten
Kreislauf. Der zweite Kreislauf ist vom Kühlsystem abgekoppelt
und entsteht nach Umschaltung der Ventile auf den Bypass.
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In
einer besonders bevorzugten Variante befindet sich außer
der Pumpe eine Heizeinrichtung in dem Bypass. Ist die Vorlauftemperatur
des Wärme abgebenden Fluides nicht mehr ausreichend, um
den Wettermast eisfrei zu halten, wird auf den zweiten Kreislauf
umgeschaltet. Dem Fluid kann dann durch die Heizeinrichtung zusätzliche
Wärmeenergie zugeführt werden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist eine Heizeinrichtung vorgesehen,
welche so in der Zuleitung zum Wettermast angeordnet ist, dass sie
sich sowohl innerhalb des ersten als auch innerhalb des zweiten
Kreislaufs befindet. Diese Heizeinrichtung kann zur Erhöhung
der Vorlauftemperatur des Fluides zugeschaltet und entsprechend
dem Bedarf an Heizleistung geregelt werden. Befindet sich die Windenergieanlage
in einem Betriebszustand, in welchem die Komponenten nur noch geringfügig
oder gar keine Wärme mehr abgeben, sinkt auch die Temperatur
des aus dem Kühlkreislauf kommenden Fluides. Ist diese
Temperatur niedriger als die Temperatur des Fluides in der Ableitung
des Wettermastes wird auf den zweiten Kreislauf umgeschaltet. Auf
diese Weise reduziert sich das zu beheizende Volumen des Fluides.
Außerdem kann die Restwärme des Fluides nach dem
Durchströmen des Wettermastes im Kreislauf genutzt werden,
was zu einer Energieeinsparung führt.
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In
einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Beheizung des Wettermastes über
einen separaten Kreislauf, welcher nicht mit dem Kühlsystem
der Windenergieanlage verbunden ist. In diesem Kreislauf befinden
sich eine Pumpe und eine Heizeinrichtung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung befinden sich mehrere erfindungsgemäße
Wettermasten auf der Windenergieanlage, welche durch Rohrleitungen miteinander
parallel geschaltet werden. Dadurch kann sicher gestellt werden,
dass das Wärme abgebende Fluid alle Wettermasten gleichmäßig
durchströmt.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Die
Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Hierzu zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Windenergieanlage,
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2 den
Aufbau eines erfindungsgemäßen Wettermastes
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3 ein
hydraulisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
mit einer Heizung im Bypass,
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4 ein
hydraulisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
mit einer Heizeinrichtung in der Zuleitung.
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Ausführung der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage 1 mit
einem auf dem Dach der Gondel 2 befindlichen Wettermast 3.
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In 2 ist
der Aufbau eines erfindungsgemäßen Wettermastes 3 dargestellt.
Der Ständer 6 und der Blitzschutzkäfig 4 des
Wettermastes 3 bestehen aus Rohrleitungen 5, welche
so miteinander verbunden sind, dass ein Wärme abgebendes
Fluid durch eine erste Rohrleitung im Ständer einströmt, durch
die Rohrleitungen des Blitzschutzkäfigs fließt und durch
eine zweite Rohrleitung im Ständer 6 abströmt.
Der Blitzschutzkäfig 4 wird aus zwei kreisförmig
gebogenen Rohrleitungen 5 gebildet, welche um 90° versetzt
angeordnet sind. Möglich ist auch eine Anordnung im Winkel
zwischen 60° und 90°. Bei dem Wärme abgebenden
Fluid, welches die Rohrleitungen 5 des Wettermastes 3 durchströmt,
kann es sich um das Kühlmittel einer, hier nicht weiter
dargestellten, Wärme abgebenden Einrichtung der Windenergieanlage,
wie ein flüssigkeitsgekühltes Getriebe oder ein
Generator, handeln. Alternativ kann das Wärme abgebende
Fluid über einen Wärmetauscher geführt
werden, welcher mit der Wärme abgebenden Einrichtung verbunden
ist.
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In 3 wird
ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Lösung dargestellt, bei welchem sich auf der nicht dargestellten
Windenergieanlage zwei Wettermasten 3 befinden. Die Wettermasten 3 sind
parallel geschaltet und mit ihren zu- und ablaufenden Rohrleitungen 9 und 10 geerdet.
Eine nichtleitende Schlauchverbindung 14 bildet den Übergang
zum hydraulischen Steuersystem und schützt dieses vor Überlast
bei Blitzschlag. Das hydraulische System zur Beheizung der Wettermasten besteht
aus zwei Kreisläufen. Wenn die Komponenten im Betrieb der
Windenergieanlage ausreichend Abwärme erzeugen, erfolgt
die Beheizung über einen ersten Kreislauf. Dabei werden
das Zulauf-Ventil 7 und das Ablauf-Ventil 8 so
geschaltet, dass die Ableitung 16 des Kühlsystems
mit der Zuleitung 9 zum Wettermast und die Ableitung 10 des
Wettermastes mit der Zuleitung 17 des Kühlsystems
verbunden wird. Das vom nicht dargestellten Getriebe oder Generator
erwärmte Fluid fließt über die Zuleitung 9,
die Wettermasten 3 und die Ableitung 10 zurück
in den Kühlkreislauf.
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Bei
nicht ausreichender Vorlaufwärme, z. B. im Anlagenstatus „Warten
auf Wind” oder bei Stillstand der Windenergieanlage wird
dem Fluid externe Energie zugeführt. Dazu schalten die
Ventile 7 und 8 auf einen zweiten Kreislauf um,
welcher keine Verbindung zu den Wärme erzeugenden Komponenten
der Windenergieanlage hat. Der zweite Kreislauf wird durch einen
Bypass zwischen der Zuleitung 9 und der Ableitung 10 des Wettermastes
gebildet. In der Bypass-Leitung befinden sich eine eine elektrische Kühlmittelheizung 11 und
eine Pumpe 12. Durch die Heizeinrichtung 11 wird
dem Fluid ausreichend Wärme zugeführt, um die
Eisfreiheit der Wettermasten zu gewährleisten. Das ist
besonders wichtig, da durch einen vereisten Blitzschutzkäfig
die Anlage das Überschreiten der Startwindgeschwindigkeit
nicht sicher messen kann.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel wird in 4 gezeigt,
welches sich ebenfalls auf zwei Wettermasten 3 bezieht.
Die Wettermasten 3 sind parallel geschaltet und mit ihren
zu- und ablaufenden Rohrleitungen 9 und 10 geerdet.
Eine nichtleitende Schlauchverbindung 14 bildet den Übergang
zum hydraulischen Steuersystem und schützt dieses vor Überlast
bei Blitzschlag. Das hydraulische System zur Beheizung der Wettermasten
besteht aus zwei Kreisläufen. Die Kühlmittelheizung 13 befindet
sich in diesem Ausführungsbeispiel direkt in der Zuleitung 9 zu
den Wettermasten 3. Damit steht die Heizeinrichtung 13 in
beiden Kreisläufen zur Verfügung. Das Heizsystem
wird primär über den ersten Kreislauf betrieben.
Ist die Temperatur des vom Getriebe oder Generator erwärmten
Fluides zur Enteisung des Wettermastes 3 nicht ausreichend,
kann sie durch die Heizeinrichtung auf den erforderlichen Wert erhöht werden.
Befindet sich die Windenergieanlage in einem Betriebszustand, in
welchem die Komponenten nur noch geringfügig oder gar keine
Wärme mehr abgeben, sinkt auch die Temperatur des aus dem
Kühlkreislauf kommenden Fluides. Wird bei einem Vergleich
der Messwerte der Temperatursensoren 18 festgestellt, dass
die Temperatur des Fluides in der Ableitung 16 des Kühlsystems
niedriger ist als die Temperatur des Fluides in der Ableitung 10 des
Wettermastes, erfolgt eine Umschaltung auf den zweiten Kreislauf.
Erst wenn die Temperatur des zulaufenden Fluides unter der Temperatur
des ablaufenden Fluides liegt, wird durch Ansteuerung der Ventile 7 und 8 auf
den zweiten Kreislauf umgeschaltet. Auch in diesem Ausführungsbeispiel
wird der zweite Kreislauf durch einem Bypass zwischen der Zuleitung 9 und der
Ableitung 10 des Wettermastes gebildet. In der Bypass-Leitung
befindet sich eine Pumpe 12. Für die Zuführung
externer Wärme kann im zweiten Kreislauf die selbe Heizeinrichtung 13 wie
im ersten Kreislauf genutzt werden.
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- 1
- Windenergieanlage
- 2
- Gondel
- 3
- Wettermast
- 4
- Blitzschutzkäfige
- 5
- Rohrleitungen
- 6
- Ständer
- 7
- Zulauf-Ventil
- 8
- Ablauf-Ventil
- 9
- Zuleitung
Wettermast
- 10
- Ableitung
Wettermast
- 11
- Heizeinrichtung
- 12
- Pumpe
- 13
- Heizeinrichtung
- 14
- Schlauchverbindung
- 15
- Bypass-Leitung
- 16
- Ableitung
Kühlsystem
- 17
- Zuleitung
Kühlsystem
- 18
- Temperatursensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202006000816
U1 [0003]
- - EP 2154364 A1 [0005]
- - DE 102007042338 A1 [0006]