DE69818992T2

DE69818992T2 - Einrichtung und verfahren zum heizen und enteisen von windturbinenblättern

Info

Publication number: DE69818992T2
Application number: DE69818992T
Authority: DE
Inventors: A. John ROLLS
Original assignee: Thermion Systems International
Current assignee: Thermion Systems International
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2018-05-21
Also published as: DE69818992D1; ES2209142T3; WO1998053200A1; EP0983437B1; CA2290386C; US6145787A; ATE252202T1; EP0983437A1; DK0983437T3; CA2290386A1

Description

Technisches Feld der Erfindung
Die Erfindung betrifft heizbare Windenergie-Turbinenblätter (Windturbinenblätter) und ein Verfahren zum Heizen und Enteisen der Turbinenblätter. Die Turbinenblätter weisen einen Verbundwerkstoff auf, in welchem Gewebe-Heizelemente eingebaut sind, die thermische Energie zum Enteisen der Oberfläche der Blätter erzeugen. Das Verfahren der Erfindung umfaßt Anordnen der Gewebe-Heizelemente in oder an der Oberfläche der Turbinenblätter und Zuführen von Energie zu den Heizelementen, um Eis zu schmelzen und Eisablagerungen von den Turbinenblättern abzuwerfen.
Hintergrund der Erfindung
Windturbinenblätter erzeugen ihre elektrische Energie aus dem Wind. Diese Energieerzeugung erfolgt, wenn der Wind innerhalb gewisser Betriebsgeschwindigkeitsgrenzen ist. Da atmosphärische Bedingungen Wind erzeugen, könnten die Windturbinen unter eisigen Verhältnissen mit 100 Prozent ihrer Betriebsgrenzen arbeiten, wenn es keine Eisanhäufung gäbe. So ist die Leistungsfähigkeit der Turbine zur Erzeugung von elektrischer Energie beeinträchtigt, wenn sich an den Turbinenblättern Eis bildet.
Anders als andere Arten der Energieerzeugung ist die Windenergie abfallfrei, beeinträchtigt kaum die Umwelt, hat geringe Wartungskosten und bietet einen skalierbaren Investitionsaufwand. Dieses Skalieren der Windenergieerzeugung erfolgt in der Anzahl der Einheiten und über eine Anzahl von unterschiedlich großen Einheiten. Errichtet werden können eine einzige Vorrichtung für eine lokale Produktion oder viele Hunderte oder Tausende, was als Windfarm bekannt ist. Ferner ist beobachtet worden, daß gewisse Standorte konstante vorherrschende Winde haben, was die Energieerzeugung und ihr Management noch kostengünstiger macht. Während ein bestimmter Anteil bestehender Farmorte durch Vereisung behindert wird, werden unglücklicherweise andere Kandidaten für Standorte von Windfarmen aufgrund ihrer nachteiligen eisigen Umgebung außer acht gelassen. Somit ist die Fähigkeit eines Gebiets, windbeständig zu sein, nicht ausreichend. Es muß relativ eisfrei sein.
Vereisen hat mehrere negative Eigenschaften, die die Windenergieerzeugung beeinflussen. Blätter für die Winderzeugung werden mit den höchsten Grad an Fachkenntnis geplant und konstruiert, um mit dem maximalen Wirkungsgrad Windenergie in Rotationsenergie und schließlich elektrische Energie umzuwandeln. Wenn eisige Bedingungen auftreten, häuft sich Eis an den Blattoberflächen an, was das aerodynamische Profil ändert und den Wirkungsgrad verringert. Ferner können unterschiedliche Arten von Eis unterschiedliche Auswirkungen haben. Einige Eistypen erhöhen ernsthaft den Luftwiderstandswert, wobei sie wenig Gewicht hinzufügen. Diese Art der Anhäufung hat eine geringere Produktionsleistung zur Folge, wenn die Anhäufung fortschreitet. Ab einem gewissen Punkt kann die Eismenge oder ihre summierende Wirkung die Strömung an den Blättern völlig abreißen lassen, was die Rotation und die Erzeugung von elektrischer Energie zum Stillstand bringt. Andere Arten der Vereisung fügen Gewicht hinzu, mit wenig aerodynamischen Nachteil. Gewichtszunahmen belasten die Anlage mehr, erhöhen somit die Wartungskosten. Mit der Anhäufung von Eis bestehen Gefahren, wenn das Eis auf unkontrollierte Weise von den rotierenden Blättern abgeworfen wird. Abwerfen von Eis kann gefährliche asymmetrische Lasten an der gesamten oder an Teilen der Anlage erzeugen und die Struktur zerstören. Zudem kann das Abwerfen von großen Stücken benachbarte Strukturen zerstören.
Während der Jahreszeiten gibt es atmosphärische Eisbedingungen, die den Betrieb der Windturbinen ineffizient und gefährlich machen. Vereisungsbedingungen sind ein Phänomen der Atmosphäre, das in Luft vorhandenes Wasser in fast gefrorener, gefrorener und unterkühlter, nicht gefrorener Form erzeugt. Das Bekämpfen der Eisanhäufung kann mit elektrothermischen Mitteln erfolgen. Bislang ist elektrothermisches Heizen und Enteisen/Eisfreihalten von Windturbinenblättern mittels e lektrischer Heizelemente ausgeführt worden, die aus verschiedenen Draht- und Folientypen hergestellt sind. Dieses Verfahren zum Heizen der Turbinenblätter ist ineffektiv, leiden unter thermischer und mechanischer Ermüdung, was ihre Lebensdauer begrenzt. Somit sind neue und verbesserte Verfahren zum Heizen von Windturbinenblättern nötig, welche eine gleichmäßige Verteilung von Wärme erzeugen würden, um Eisanwachsungen wirkungsvoller zu entfernen, und welche die Dauerhaltbarkeit im Vergleich zu Draht- und Folienheizern verbessern würden, um so das umgebungsbedingte Betriebsfenster und die Lebenserwartung der Blätter zu vergrößern.
Leitende Gewebe sind beim Enteisen und Eisfreihalten von Luft- und Raumfahrt-Strukturen verwendet worden. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 5 344 696 von Hastings et al. ein integral gebundenes Laminat, das verwendet wird, um eine Oberfläche eines Luftfahrzeugs, an welchem das Laminat gebunden ist, thermisch zu steuern. Das Patent beschreibt, daß die Verwendung eines Gewebes zahlreiche Vorteile gegenüber früheren Verfahren zum Enteisen und Heizen von Flugzeugflügeln hat; beispielsweise hat die leitende Faser ein geringes Gewicht und/oder erlaubt eine nominelle Intrusion in bezug auf die Aerodynamik; sie ist im Vergleich zu Draht und Folie leicht zu handhaben und, am bemerkenswertesten, sie erlaubt eine gleichmäßige Verteilung der Wärme. Diese Faktoren tragen zu einer wirkungsvolleren Verwendung von Energie bei. Enteisen und Eisfreihalten von Luftfahrzeuganwendungen erfordern ein höchstes Maß an Produktanforderungen. Da ein Luftfahrzeug mit sehr begrenzten elektrischen Ressourcen und unter extremen Atmosphärenbedingungen arbeitet, muß ein System genauso wirkungsvoll wie robust sein, um einen Schutz bereit-zustellen. Eine Vielzahl von Heizelementen gibt es im Stand der Technik.
Das US-Patent Nr. 4 534 886 von Kraus et al. offenbart ein elektrisch leitendes Gewebe, das aus einer nichtgewebten Schicht aus leitenden Fasern und nicht-leitenden Fasern besteht. Die Schicht wird mit einer Dispersion imprägniert, die leitende Partikel enthält, und dann getrocknet. Das Heizelement von Kraus et al. wird hauptsächlich in Heizkissen verwendet.
Die WO-A-9 515 670 (Internationale Anmeldung Nr. PCT/US94/13504) offenbart eine elektrisch leitende Verbundwerkstoff-Heizanordnung. Die Anordnung hat eine elektrisch leitende, nichtgewebte Faserschicht, die zwischen Schichten aus Glasfasern und anderen dielektrischem Material laminiert ist. Die Anordnung hat ferner eine abriebbeständige Außenschicht. Das Heizelement wird als ein Vereisungsschutzsystem an Luft- und Raumfahrtstrukturen verwendet, damit diese der wiederholten mechanischen Belastung und den thermischen Zyklen standhalten, die in extrem rauhen Weltraumumgebungen anzutreffen sind.
Die FR-A-2 719 182 offenbart eine elektrische Enteisungsvorrichtung für Hubschrauber-Rotorblätter.
Keines der Heizelemente vom Stand der Technik ist jedoch angewendet worden, um die Oberfläche von Windturbinenblätter zu heizen und zu enteisen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft heizbare Windturbinenblätter und ein Verfahren zum Heizen und Enteisen der Turbinenblätter. Die Turbinenblätter weisen einen Gewebe-Heizer auf, der integral in oder an den Blättern angeordnet ist, um die Oberflächen der Blätter wirkungsvoll zu heizen und zu enteisen. Verschiedene Turbinenblattkonstruktionen und Verfahren werden untersucht, sowie Heizermaterialien und Verfahren zur Steuerung der Heizleistung und Verfahren zum Aufbringen solcher Materialien. Das vorliegende Verfahren zum Heizen und Enteisen/Eisfreihalten von Windturbinenblättern hat Vorteile gegenüber früheren Verfahren darin, daß es die Betriebslebensdauer des Turbinenblatts nicht begrenzt oder verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Windturbinenblätter von einer aus leitenden Fasern bestehenden Gewebeschicht geheizt. Insbesondere kann der Gewebe-Heizer entweder einzeln oder als Teil eines laminierten Verbundwerkstoffs, der wasserundurchlässig ist, den Blättern bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Heizen von Windturbinenblättern. Das Verfahren umfaßt Einbauen oder Anordnen einer Gewebeschicht (Stoffschicht), die aus leitenden Fasern oder aus dem Gewebe-Heizer allein besteht oder in Form eines Laminat- Verbundwerkstoffs ist, an oder in den Blättern der Turbinen, so daß, wenn den leitenden Fasern der Gewebe-Heizelemente Energie zugeführt wird, die erzeugte Wärme gleichmäßig auf den Blätteroberflächen verteilt wird, wodurch die Grenzflächenbindung geschmolzen wird und so eine Eisanwachsung auf gesteuerte Weise abfällt.
Die Gewebe-Heizer können innerhalb, außerhalb oder teilweise innerhalb und außerhalb der Konstruktion der Windturbinenblätter angebracht sein.
In einer anderen Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bau oder Herstellen eines Windturbinenblatts.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt die Komponentenschichten eines in der Erfindung verwendeten, laminierten Verbundwerkstoff-Gewebe-Heizelements.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Splitmold-Blattkonstruktion (split mold: geteilte Form), wobei die Komponentenschichten eines Turbinenblatts gezeigt sind.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Splitmold-Blattkonstruktion, die ein Turbinenblatt bildet.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines gemeinsam verwendeten Bussystems der Erfindung.
5 zeigt eine erfindungsgemäße elektromechanische Verbindung, die einen Widerhaken oder Dorn verwendet.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Windturbinenblatts, wobei die Lage der Zonen-Gewebe-Heizelemente innerhalb des Blatts gezeigt ist.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Windturbinenblatts, wobei die Komponentenschichten gezeigt sind.
8 ist eine schematische Darstellung einer hergerichteten Vorderkante eines heizbaren Windturbinenblatts der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt heizbare Windturbinenblätter und Verfahren zum Heizen und Enteisen/Eisfreihalten von Turbinenblättern unter Verwendung von elektrisch leitenden Gewebe-Heizelementen bereit. Die Gewebe-Heizelemente können an der Oberfläche des Blatts, beispielsweise in Form einer Manschette oder Kappe, angebracht sein oder in der Verbundwerkstoffstruktur der Turbinenblätter eingebaut sein.
In der vorliegenden Erfindung sind die elektrisch leitenden Gewebe definiert als eine Kombination oder Ansammlung von verschiedenen Fasern, d. h. leitenden, halbleitenden und nichtleitenden Fasern. Die Fasern können in gewebter, nichtgewebter oder geflochtener Form auf verschiedene Arten angeordnet sein. Die Fasern können elektrisch leitende Naturfasern, elektrisch leitende Chemiefasern, halbleitende Naturfasern, halbleitende Chemiefasern, nichtleitende Naturfasern und nichtleitende Chemiefasern sein. Jede Faser kann mit leitenden, halbleitenden oder nichtleitenden Materialien beschichtet sein. Ferner können die nichtgewebten Gewebe konstruiert sein, um verschiedene Fasern verschiedener Länge und Orientierung zu enthalten. Außer den Standardfabrikfasern kann ein Hybridgewebe durch ein Verfahren, das als Karbonisation bekannt ist, aus sonstigen elektrisch nichtleitenden Fasern konstruiert sein. Das Karbonisationsverfahren wandelt durch Anwenden von hohen Temperaturen Polymere aus Kohlewasserstoffen in leitende Kohlenstoff-Stränge um. Beispiele für diese Fasern sind Kohlenstoff-Fasern oder metallbeschichtete Kohlenstoff-Fasern.
Das Beschichten von Fasern stellt den Konstrukteuren zusätzliche Variablen der Koeffizienten für spezifische Wärmekapazität, elektrischen Widerstand, Korrosionshemmung und Belastung bereit. Beschichtungen müssen zum Zeitpunkt der Faserherstellung nicht unbedingt leitend sein, vorausgesetzt die Faser selbst ist leitend oder ist ein Teil eines Hybridsystems, wie später diskutiert wird. Fasertypen können wegen Eigenschaften gewählt werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, für welches sie gedacht sind. Fertige Fasern können kombiniert werden, um einen Kompromiß zu begünstigen oder um Nutzen aus Stärken zu ziehen, die jeweils für jeden Fasertyp gefunden wurden. Jeder Fasertyp und jede Kombination davon bildet, sobald einmal kombiniert, ein Gewebe. Jedes Gewebe hat Eigenschaften an sich, die es für eine Verwendung als elektrothermisches Heizelement gut oder nicht gut geeignet machen. Ein solches für allgemeine Anwendungen gut geeignetes Material ist eine nichtgewebte, nickelbeschichtete Kohlenstoff-Faser (NCCF), die im Stand der Technik als THERMION bekannt ist und im US-Patent Nr. 5 344 696 beschrieben ist.
Ein Heizelement ist definiert als die Basiskomponente, die durch Wirkungen eines Energieeintrags Wärme erzeugt oder anderweitig dissipiert. Energie in diesem Beispiel ist in der Form von elektrischem Strom, der auf eine Widerstandslast (das Heizelement) wirkt. Ein "Heizer" im allgemeinen ist klassifiziert, um alle Anordnungen eines für den beabsichtigten Zweck verwendbaren Heizelements zu umfassen. Ein solches Beispiel für einen Heizer ist ein Element, das zwischen zwei dielektrischen Materialien laminiert ist, wobei die notwendigen elektrischen Anschlüsse frei liegen (1, in welcher die elektrischen Anschlüsse nicht gezeigt sind).
Um ein Gewebe-Heizsystem zu konstruieren, ist ein grundlegendes Verständnis der Elektrotechnik notwendig, einschließlich des Ohmschen Gesetzes und des Schaltungsentwurfs. Zusätzlich ist für jedes verwendete Gewebe ein gründliches Verständnis der elektrischen Eigenschaften notwendig. In einer bevorzugten Ausführungsform verhalten sich die leitenden Gewebe idealerweise so, wie durch die folgenden Gleichungen beschrieben wird:
wobei
R – Widerstand (Ohm)
ρ – spezifischer Oberflächenwiderstand (Ohm/Quadrat)
L_F – Gewebelänge
W_F – Gewebebreite
n – Anzahl der leitenden Schichten
und
wobei
δ – Energiedichte (Watt/erhitze Fläche)
V – angelegte Spannung (Volt) und
R, L_F und W_F so wie oben definiert.
Hierin leitet sich der ideale Widerstand einer Konstruktion von dem spezifischen Oberflächenwiderstand des Gewebes und der Schichtanordnung ab, während die ideale Energiedichte, der elektrothermische Wert, auf welchem das Enteisungsvermögen basiert, durch eine Modifikation der Geometrie des Heizers oder der angelegten Spannung bereitgestellt werden kann.
Gewebe weichen natürlich vom Ideal ab. Sie können eine "elektrische Vorspannung" haben, der elektrische Widerstand eines Gewebe-Quadrats ist nicht gleich, wenn er über die zwei Dimensionen (Länge vs. Breite) gemessen wird. Einige Materialien können auch einen kapazitiven Blindwiderstand, induktiven Blindwiderstand oder etwas von jedem haben. Induktiver Blindwiderstand ist auf dem Fachgebiet verstanden und ziemlich oft anzutreffen. Kapazitiver Blindwiderstand, insbesondere innerhalb dem, was ansonsten irreführend einfach Gewebe ist, ist nicht weitreichend bekannt oder verstanden. Ein Gewebe, das einen kapazitiven Blindwiderstand hat, wird mehr Strom ziehen, wenn es höherfrequenten Signalen ausgesetzt ist. Beispielsweise kann ein spezieller Heizer ein (1) Ampère ziehen, wenn er an einer Gleichstromquelle (DC) angeschlossen ist, während er unter Verwendung einer Wechselstromquelle (AC) mit ungefähr 60 Hz bei dem gleichen effektiven Mittelwert der Spannung eineinhalb (1,5) Ampère ziehen wird. Mit Ansteigen der Wechselfrequenzen wird der Heizer fortlaufend höhere Ströme ziehen. Dieses Verhalten kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden.
wobei
I – Strom (Ampère)
V – angelegte Spannung (Volt)
ρ – spezifischer Oberflächenwiderstand (Ohm/Quadrat)
L_F – Gewebelänge (Zoll)
W_F – Gewebebreite (Zoll)
π – Konstante (3,14159 ...)
f – Frequenz (Hertz)
C – Kapazitanz (Farad)
n – Anzahl der leitenden Schichten
abgeleitet von der Basisgleichung der Impedanz mit X_L = 0 2. Z2 = R2 + (XL-XC)2 wobei
Z – Impedanz (Ohm)
R – Widerstand (Ohm)
X_L – induktiver Blindwiderstand (Ohm)
X_C – kapazitiver Blindwiderstand (Ohm)
In den meisten Anwendungen wird die Wirkung der Frequenz wenig Einfluß auf die Konstruktion haben. Um die Kapazitanz des Gewebes zu bestimmen, muß man aus dem Experiment den Wert von verschiedenen Konstanten bestimmen. Diese Konstanten werden eine Basislinie erzeugen, von welcher aus die Fläche und die Schichtanzahl die Netto-Kapazitanz bestimmen werden. Um dies zu machen, muß man verschiedene Basislinien-Annahmen machen. Diese Annahmen sind für das zu untersuchende Gewebe charakteristisch Ein Beispiel, Thermion, könnte auf folgende Weise ausgewertet werden: Die Kapazitanz einer Vorrichtung unter der Annahme, sie sei einem sehr großen Kondensator aus parallelen Platten ähnlich, wobei Kanteneffekte klein sind, kann aus der folgenden Gleichung abgeleitet werden:
wobei
κ – Dielektrizitätskonstante
ε₀ – absolute Dielektrizitätskonstante
l – Plattenlänge
w – Plattenbreite
d_s – Abstand
die absolute Dielektrzitätskonstante ist bekanntermaßen 8,85 × 10^–12 Farad/Meter, während die Plattenlänge und -breite als Gewebeabmessungen definiert sind. Der Abstand wird willkürlich als die Hälfte der nominellen Gewebedicke d_s = t/2 festgesetzt.
Diese Konstante kann weiter ausgewertet werden, fügt aber der Gleichung wenig zusätzliches Detail hinzu und wird nur einen statistischen Wert ergeben. Unter Anwendung dieser Punkte wird die Gleichung zu:
wobei τ – Gewebedicke
Zurück in Gleichung 1 eingesetzt:
wobei
I, V, ρ, L_F, W_F, n, ε₀, κ, f, π und τ so, wie oben definiert, sind.
Wenn für eine gegebene Gewebeprobe der Strom bezüglich der Änderung der Frequenz graphisch aufgetragen wird und der Widerstand durch anerkannte Verfahren bestimmt wird, kann für das spezielle Gewebe die Dielektrizitätskonstante gefunden werden. Obwohl der induktive Blindwiderstand bei dieser Auswertung weggelassen worden ist, folgt, daß mit Ansteigen der Frequenz der Strom abnehmen würde. Gewebe mit sowohl einem induktiven als auch einem kapazitiven Blindwiderstand würden ei nen Spitzenstrom am Resonanzpunkt zeigen. Diese Resonanz, wie auf dem Gebiet der Elektrotechnik bekannt, ist die exakte Frequenz, bei welcher induktiver und kapazitiver Blindwiderstand gleich sind. Die sorgfältige Untersuchung jedes Gewebes verleiht dem Konstrukteur ein tiefes Verständnis seines Verhaltens unter verschiedenen Bedingungen.
Zur Zeit werden die meisten Turbinenblätter aus Flüssigharzen und Glasfasern hergestellt, die in Formwerkzeugen aufgebracht werden, die die gewünschten Oberflächenkonturen haben. In den meisten dieser Fälle wird das Blatt in separaten Hälften geformt, die entlang der Vorder- und Hinterkante herab geteilt sind. Sobald einmal beide Formabschnitte ausgehärtet und hergerichtet sind, werden sie verbunden und für den Versand fertiggemacht. Obwohl Blattkonstruktionen einen erheblichen Aufwand erfordern, sind diese Strukturen im Vergleich zu Komponenten der Luft- und Raumfahrt weit weniger kompliziert in ihrer Herstellung und ihren Materialmerkmalen. Dennoch gibt es eine gewisse Neigung, die Konstruktion von Windturbinenblättern weiter hinein in den Bereich der Materialien und Verfahren für Luft- und Raumfahrt zu entwickeln, um von diesen zu profitieren. Obwohl teuerer, sind Materialien für die Luft- und Raumfahrt oft beträchtlich fester, während sie weniger Gewichtsnachteil haben.
Gewebe-Heizer können auf verschiedene Weise in die Konstruktionen der Windturbinenblätter eingebaut werden. Im weitesten Sinne und in der bevorzugten Ausführungsform können die Gewebe-Heizer durch zwei Verfahren, d. h. inneres und äußeres Anbringen, in die Turbinenblätter eingebaut werden.
In einer anderen Ausführungsform kann für viele Blattkonstruktionen der Gewebe-Heizer als Hybrid, d. h. in einer Innen/Außen-Technik, eingebaut werden. In dieser Ausführungsform würde das System eine Splitmold-Blattkonstruktion sein, wie in 2 und 3 gezeigt ist. Das Splitmold-Konzept ist unter Verwendung einer Gelschicht, Glasfasern und Harzen als die hauptsächlichen Bestandteile des Verbundwerkstoffs konstruiert. Die vorliegenden Turbinenblattkonstruktionen können Kohlenstoff-Fasern, Kevlar, Aluminium, Stahl und andere Materialien enthalten und müssen in der Heizsystemkonstrukti on/Anforderungsanalyse mit aufgenommen werden. In einigen Fällen können diese Materialien für den Heizer intrusiv sein und Modifikationen an der Blattstruktur, dem Heizerentwurf oder an beiden müssen betrachtet werden. Beispielsweise kann zum Zwecke des Masseschlußschutzes eine zusätzliche Schicht eines leitenden Gewebes eingebaut sein und von dem Heizer isoliert sein.
Wie in 2 gezeigt, wird bei der Herstellung der Turbinenblatthälften 3 die Gelschicht 4 allgemein als erste Produktschicht in der Form 2 aufgebracht, vor dem Heizelement 6. Sobald einmal fertig, wird diese die äußerste Schicht des Blatts sein, abgesehen von irgendeinem zusätzlich gewünschten farbigen oder durchsichtigen Anstrich. Die Gelschicht 4 schützt den Verbundwerkstoff, einschließlich des Heizers 6, vor UV-Alterung, Erosion und Feuchtigkeitsabsorption. Nachdem die Gelschicht aufgebracht worden ist, wird Harz in einer dünnen Gaze aufgelegt, um das Anordnen des Heizers zu erleichtern. Das Heizelement 6 würde dann auf die Form 2 gelegt. Übrige Blattschichten wie beispielsweise eine Masseschlußschicht 8 oder eine isolierende Schicht 8 und Strukturschichten 10 werden danach hinzugefügt. Zu diesem Zeitpunkt und innerhalb der zwei Hälften bilden die Heizer, die eingebaut sind, die Druck- und Saugoberflächenheizer. Vorderkante-Trennstreifen werden hinzugefügt, nachdem die zwei Hälften miteinander verbunden worden sind.
Vor und unter Berücksichtigung des Heizereinbauvorgangs wird das Gewebe-Heizelement hergerichtet, beispielsweise in Form eines Laminat-Verbundwerkstoffs, wie in 1 gezeigt ist. Das NCCF wird auf die gewünschten Längen zugeschnitten, elektrische Busmaterialien werden aufgebracht und elektromechanische Anschlußpunkte werden hinzugefügt. Zonen sowie Trennstreifen werden in Gruppen bis zur gewünschten Komplexität gefertigt.
Das Schneiden von Gewebe erfordert Erfahrung auf dem Gebiet von Verbundwerkstoffen. Beispielsweise wird ein einziger langer Gewebeschnitt verwendet, um mehrere Zonen zu definieren. Die Zonen sind definiert durch Unterteilen der Gewebelänge an den geeigneten Stellen mit dem elektrischen Bus in zwei Hälften. Als ein in 6 gezeigtes Beispiel erfordert ein Dreizonensystem mit 10 Zoll pro Zone und einem 1 Zoll breiten Bus ein Gewebe von 34 Zoll in der Länge. Die elektrischen Busse würden in Abständen (0, 11'', 22'') am Gewebe angeordnet. Wenn die Zonen unterschiedliche Breite haben, wird das Gewebe auf den Umriß der Gesamtform zugeschnitten. In 4 hat jeder Endpunkt jeder Zone 12, 14 elektrische Busse wie vorstehend beschrieben, mit einer Ausnahme. Für zwei benachbarte Zonen unterschiedlicher Breite würde der gemeinsam verwendete Bus 13 gleich der breitesten Zone sein, wie in 4 gezeigt ist.
In der vorliegenden Erfindung sind die elektrischen Busse bevorzugt aus einem Material mit geringem Widerstand, wie beispielsweise Streifen aus Beryllium-Kupfer-Legierung, und werden an dem Gewebe wie erwähnt oder in einer bestimmten Anordnung angebracht, um den geheizten Bereich einzurichten. Ein bevorzugtes Verfahren ist, das Gewebe und den Streifen aus Beryllium-Kupfer-Legierung zusammen mit einem leitenden Epoxid zu verbinden. Auf ähnliche Weise wird eine elektrische Verbindung mit den Heizerbussen hergestellt. Um das Hinzufügen von weiteren Materialschichten hinter dem Gewebe-Heizer während der Herstellung zu erleichtern, kann die elektromechanische Verbindung aus einem Widerhaken oder Dorn 15 in 5 konstruiert sein. Der Dorn 15 würde mit der Heizerbusschiene verbunden sein und würde von der Oberfläche der Form 2 aus nach innen ragen. Beim Auflegen des Gewebes über den Dorn wird es nach unten gedrückt, wobei der Punkt freigelegt wird und die Fasern getrennt werden.
In diesem Aspekt der Erfindung wird sich durch jede Schicht der Dorn 15 fortsetzen, bis der letzte Harzzyklus und Stoff aufgebracht ist, zu welchem Zeitpunkt der Dorn gereinigt wird und der Versorgungsdraht befestigt wird. Der mit Widerhaken versehene Dorn hat verschiedene Merkmale, durch welche er besser als andere Verfahren ist: 1) er erlaubt eine einfache Konstruktion; 2) zeigt den elektrischen Anschluß für eine leichte Fertigstellung der Verdrahtung; 3) widersteht einem Herausziehen und einer Bewegung, nachdem das Blatt fertiggestellt ist; 4) erübrigt ein Bohren der Struktur, was die Homo genität des Verbundwerkstoffes zerstören würde und 5) versiegelt das Loch vorab, was einen Einschluß von Luft, die die Struktur schwächen würde, verhindert. Um den elektrischen Anschluß der Trennstreifen bereitzustellen, werden die Dorne für diese Heizer ebenfalls an der Form angebracht. Diese Dorne werden jedoch vor der Gelbeschichtung und so angeordnet, daß ihr Zugang an der Oberfläche erleichtert ist, nachdem das Blatt aus der Form herausgenommen worden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die heizbaren Turbinenblätter Zonenheizer 1, 2, 3 und 4, wie in 6 dargestellt ist. Jedoch hängt die Anzahl der pro Blatt verwendeten Heizer von Faktoren wie Blattgröße, Umwelttyp, Zonenabmessung und Steuerungsablauf ab. Nachdem die Zonenheizer eingebaut sind und die Trennstreifen-Dorne 10 aufgebracht sind, werden zusätzliche Materialschichten, einschließlich der Masseschlußschicht aus leitenden Fasern, gemäß Techniken der Verbundwerkstoffherstellung gebildet. Diese Schichten können eine Kombination aus Geweben und Fasern sein, um das Ziel des Konstrukteurs zu erreichen. Schichten werden durchfeuchtet und nachdem das letzte Material angeordnet ist, kann das Blatt aushärten.
In einem Aspekt der Erfindung erfordert das Herrichten der zwei Hälften zum Aufeinanderanordnen, daß die Verbindungslinien zurecht gemacht und die Blätter in einer Ausrichtungsmontagevorrichtung eingesetzt werden. Sobald sie einmal miteinander verbunden und ausgehärtet sind, können die Trennstreifen 10, wie in 6 gezeigt, und somit der hybride Teil der Konstruktion dem hergerichteten Bereich 35, wie in 8 gezeigt, von der Nabe aus zur Blattspitze 25 hinzugefügt werden. Da die Trennstreifen-Dorne bereits in den Blattabschnitten enthalten sind, müssen sie gereinigt und mit den elektrischen Bussen der Trennstreifen verbunden werden. Die Trennstreifen-Heizer werden dann laminiert und mit Gel beschichtet. Der letzte Arbeitsgang ist, die Gesamtverbindungslinie zurecht zu machen und das Blatt fertigzustellen. Die wesentlichen Schritte des Verfahrens der vorliegenden Erfindung können auf mehrere verschiedene Arten durchgeführt werden.
Der bevorzugte Trennstreifen-Heizer der vorliegenden Erfindung ist ein wasserundurchlässiger laminierter Verbundwerkstoff und ist von dem Typ, wie er im US-Patent Nr. 5 344 696 von Hastings et al. offenbart ist. Wie in Hastings et al. offenbart, weist das Heizelement eine strapazierfähige Außenschicht auf, die abriebbeständig und wasserundurchlässig ist. Für diese Ausführungsform kann eine Gelschicht diese Schicht sein. Die Außenschicht ist an und durch eine leitende Schicht aus Fasern und einem integral umhüllenden Klebstoff gebunden, welche an der Oberfläche des Blatts angebracht ist. Die leitende Schicht ist an einer elektrischen Energiequelle angeschlossen und Steuerungseinrichtungen sind eingerichtet, um die Temperatur der Oberfläche des Blatts zu steuern.
Das bevorzugte Gewebe-Heizelement sollte bestimmte Eigenschaften besitzen, so daß das Heizelement die Oberfläche der Turbinenblätter wirkungsvoll heizen kann, wie beispielsweise schnelles Heizen und gleichmäßiges Verteilen der Wärme. Beispielsweise sollte das leitende Fasermaterial leichtes Gewicht haben, eine gleichmäßige Erwärmung erzeugen, eine minimale Dicke -haben und eine geringe thermische Trägheit besitzen. Ein leitfähiges Material mit geringer thermischer Trägheit erwärmt sich schnell und kühlt sich schnell ab, wenn die Energie ein- bzw. abgeschaltet wird. Das schnelle Erhitzen und Kühlen erleichtert eine bessere Steuerung der Verteilung der von dem Element erzeugten Wärme. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das leitfähige Fasermaterial ein Gewicht von ungefähr 0,022 Unzen pro Quadratfuß und eine Dicke von ungefähr 0,004 Zoll. Ein bevorzugter Gewebe-Heizer zur Verwendung mit den Verfahren der Erfindung ist unter der Handelsmarke THERMION erhältlich, die von Thermion Systems International hergestellt wird. THERMION ist leicht, biegsam und kann durchsichtig sein. Dieses spezielle Heizelement besteht aus einer hybriden, nickelbeschichteten Kohlenstoff-Faser, die mittels derzeit üblicher Textiltechnologie zu einem dünnen, leitfähigen, nichtgewebten Gewebe (Stoff) verarbeitet wird. Das Material ist ein Laminat, das ein gleichmäßiges Erhitzen bereitstellt und an Oberflächen angepaßt (angeschmiegt) werden kann, die viele unterschiedliche Konturen und Formen haben.
Die Betriebsspannung kann aus AC- oder DC-Spannungsversorgungen niedriger oder hoher Spannung zugeführt werden.
Wie oben diskutiert, kann das Heizelement eine Schicht aus leitenden Fasern aufweisen, die direkt in das Material eingebettet sind. Jedoch muß in diesem Fall das Material ausreichende dielektrische Eigenschaften besitzen, um Personen und Umgebung vor einem elektrischen Schlag zu schützen und die von den Fasern erzeugte Wärme gleichmäßig auf der Oberfläche des Blatts zu verteilen. Thermoplastische und warmaushärtende Materialien besitzen typisch solche Eigenschaften.
Der bevorzugte Vorderkante-Trennstreifen-Heizer der vorliegenden Erfindung wird auf die gleiche Weise an die Vorderkante des Turbinenblatts laminiert, wie in dem Patent von Hastings et al. offenbart ist. Der Heizer weist eine an den Heizer gebundene strapazierfähige Außenschicht auf, die abriebbeständig und wasserundurchlässig ist. In dieser Ausführungsform ist der Heizer dadurch modifiziert, daß er eine Gelschicht als die bevorzugte Schicht hat. Der Trennstreifen-Heizer wird entweder am Blatt oder an einem Übertragungstisch hergestellt. Beide Verfahren beruhen auf Verbundwerkstoff-Herstellungsverfahren, die in 1 skizziert sind. Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Heizers der Erfindung ist direkt am Blatt 50, wobei die elektrischen Busse (nicht gezeigt) durch leitendes Epoxid an dem Trennstreifen-Stab 5 in 8 angebracht werden. Leitfähiges Gewebe wird unter Verwendung von leitendem Epoxid am Bus angebracht und ausgehärtet, bevor die restlichen Laminierungsschichten und -prozesse ausgeführt werden.
Wie in 1 zu sehen und mit Ausnahme der Ablöseschichten 15 ist die Verbundwerkstoff-Herstellung wie folgt. Die Schicht 5 kann notwendig sein, wenn eine dielektrische Trennung zwischen dem Heizelement 1 und der Blattbindungsoberfläche notwendig ist. Die Abziehschicht 19 ist oberhalb des Heizers 1, Klebstoffs 5 und Dielektrikums 5' angeordnet. Ablöseschicht 21, Ablaß/Belüftungsstoff 25 und Vakuumbeutel 29 bedecken das Laminat und sind durch das Band 11 abgedichtet. Falls erforderlich, wird Vakuumdruck sowie Wärme in einem Autoklav oder Ofen bereitgestellt.
In den Verfahren der Erfindung wird das Heizelement an einer vorgegebenen Stelle und in einer vorgegebenen Tiefe im Material angeordnet. Die Tiefe und die Stelle können entsprechend dem speziellen Material, erforderten Heiztyp und dem angenommenen Konstruktionskonzept variieren.
Die Art und Weise, wie das Eis abfällt, ist kritisch. Heizerausführungen, Steuerungsanordnung und Steuerungsmuster müssen parallel konzipiert werden, um Eisanhäufung zu minimieren und die Abwurfleistung zu maximieren. Die Aufrechterhaltung eines dynamischen Gleichgewichts an der Turbine ist eine Hauptsorge. Grundsätzlich wird dem bevorzugten Ausführungs- und Steuerungsverfahren dadurch Rechnung getragen, daß jedes Blatt in Zonen separat geheizter Flächen unterteilt ist und alle Blätter unter Verwendung gleicher Muster ausgehend von der Blattspitze 25 (6) enteist werden. Um das Abwerfen weiter zu fördern, sind die Zonen durch zusätzliche Heizer unterteilt, die als Trennstreifen 10 definiert sind. Durch kontinuierliches Heizen scheiden die Trennstreifen 10 Zonen in diskrete Abwurfplatten und vereiteln somit Eisanhäufung zwischen den Zonen. Da Zonen getrennt sind, kann das System alle Zonen an einem Blatt einzeln (radiale Gruppen am Rotor) enteisen, beginnend an der Spitze 25 und fortschreitend zur Nabe 20 in einem sich wiederholenden Zyklus. Das Systemkonzept erlaubt, daß die zentripetale Beschleunigung und aerodynamische Kräfte das Abwerfen von kleinen kontrollierten Eispartikeln unterstützen.
Zur Unterstützung der Zonensteuerung kann eine sekundäre Energieverteilung durch lokale Relais erreicht werden, die im Heizerlaminat eingebaut sind; insbesondere für eine austauschbare Heizermanschette. Diese Relais, die von Adreßsignalen aus dem primären Steuerungssystem an der Nabe versorgt werden, aktivieren durch diskrete Signale das gleichzeitige Heizen von Zonen an gleichen radialen Banden um die Turbine herum, wodurch ein ausgewogenes Abwerfen erreicht wird. Um die Steuerungssysteme zu vereinfachen, können primäre Steuerungen, wie Sensoren, Telemetrie und Schaltungsschutz, an der Nabe inner halb der Propellerhaube untergebracht sein, wodurch die in jedem Blatt erforderliche Verkabelung minimiert wird.
Im Zusammenhang mit Zonenbildung berücksichtigt das Muster die Menge des von den einzelnen Zonen abgeworfenen Eises sowohl in bezug auf die Fläche als auch die Dicke. Es optimiert die Eisanhäufung zwischen Zyklen, arbeitet aber auf solche Weise, um den durchschnittlichen Energieverbrauch und die Eisanhäufung auszugleichen. Praktisch wird dies dadurch erreicht, daß erlaubt wird, daß sich etwas Eis an den Blättern anhäuft. Unter der Voraussetzung, daß das abgeworfene Eis nicht zu dick ist, wird es auseinanderbrechen, sobald es einmal in der Luft ist. Die Anhäufungszeit verringert somit den durchschnittlichen Energieverbrauch und arbeitet effizienter. Zur Förderung der Effizienz besitzt das Muster schließlich eine geschlossene Rückkopplungsschleife, um auf der Basis der umgebungsbedingten Betriebszustände die Leistung zu modifizieren.
Beispiel 1
Dieses Beispiel veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Es betrifft das Heizen von Verbundwerkstoff-Windturbinenblättern aller Konstruktionstypen unter Verwendung von elektrisch leitenden Fasern. Eine allgemeine Konstruktion ist in 6 zu sehen. 6 ist ein typisches Turbinenblatt mit einer Verbundwerkstoff-Konstruktion und zeigt die Lage der Gewebe-Heizer, d. h. die am Turbinenblatt bezeichneten Positionen 1, 2, 3 und 4.
7 zeigt einen Querschnitt einer Blattkonstruktion, wie beispielsweise der in 6 gezeigten, die THERMION als leitende Faserschicht 20 enthält, wobei der Heizer an der Oberfläche des Turbinenblatts 100 angeordnet ist. Das THERMION-Heizerelement 20 ist in dem laminierten Turbinenblatt-Verbundwerkstoff eingebaut und ist durch eine Gelschicht 10 von der Umgebung getrennt. Das an der Außenschicht 10 gebundene THERMION-Heizerelement 20 liegt durch eine dielektrische Schicht 30 dicht gegenüber irgendeiner leitenden Strukturkomponente oder einer Masseschlußschicht 35. Strukturschichten 40, 50 werden je nach Bedarf hinter dem Heizelement 20 gebildet. Die dielektrische Schicht 30 kann optional im Turbinenblatt integriert sein.
Das Gewebe-Heizelement 20 ist mittels Draht und/oder Leitungsband an einer geeigneten elektrischen Quelle (nicht gezeigt) angeschlossen, die die elektrische Energie bereitstellt, um die Oberfläche des Turbinenblatts zu heizen. Die Energie kann durch einen einfachen An/Aus-Schalter oder durch eine kompliziertere Temperatur/Energie-Steuerung gesteuert werden, die mehrere Parameter, einschließlich der atmosphärischen Bedingungen in der Nähe der Turbine und der Oberflächentemperatur des Blatts, mißt und überwacht. Steuerungen, die diese Aufgaben erfüllen, sind Fachleuten bekannt.
Der Energiebedarf hängt von der benötigten Heizmenge, der Blattgröße und der verfügbaren Energieversorgung ab. Drähte und Kabel laufen an einem zentralen Steuerungsgehäuse an der Turbine zusammen und stellen der elektrischen Energiequelle die erforderlichen Zeit- und Temperaturantwortsignale bereit.

Claims

Verfahren zum Heizen der Oberfläche eines Windenergie-Turbinenblatts, gekennzeichnet durch: Bereitstellen eines Gewebe-Heizelements (1; 20), bestehend aus einer inneren Schicht, die aus einem Gewebe aus elektrisch leitfähigen Fasern gebildet ist, das zwischen zwei dielektrischen Materialien laminiert ist; zwei äußeren Schichten aus dielektrischem Material, die an gegenüberliegenden Oberflächen der inneren Schicht angeordnet sind und die innere Schicht einkapseln; und elektrischen Verbindungen, um die leitfähigen Fasern mit einer Energiequelle zu verbinden und um Energie aus der Energiequelle zu empfangen; Anordnen des Gewebe-Heizelements (1; 20) an einer vorgegebenen Stelle innerhalb oder an der Oberfläche des Blatts, und Zuführen von Energie zu den elektrisch leitfähigen Fasern des Gewebe-Heizelements (1; 20), wodurch das Blatt enteist wird oder eine Eisbildung am Blatt verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Fasern synthetische metallbeschichtete Kohlenstoff-Fasern sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kohlenstoff-Fasern mit Nickel beschichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Fasern dem Blatt in Form einer Manschette oder Kappe bereitgestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit Ausstatten des Turbinenblatts mit primären Steuerungen, um die Heizleistung an der Oberfläche des Blatts zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Turbinenblatt eine Nabe und einen Blattrotor aufweist und die primären Steuerungen in der Nabe des Turbinenblatts innerhalb des Blattrotors bereitgestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gewebe-Heizelement (1) als mehrere Zonenheizer (1, 2, 3, 4) bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit Ausstatten des Turbinenblatts mit adressierbaren sekundären Steuerungen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die sekundären Steuerungen an den Zonenheizern des Blatts (100) bereitgestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit Anordnen einer Masseschlußschicht (8; 35) am Turbinenblatt (100).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gewebe-Heizelement (1) ferner Dorne (15) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Gewebe-Heizelement (1) ferner Trennstreifen (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gewebe-Heizelement (1) ferner eine Gelschicht (4) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gewebe-Heizelement (1) dem Blatt als ein Hybridsystem bereitgestellt ist.
Heizbare Windenergieturbine, gekennzeichnet durch mehrere Blätter und Gewebe-Heizvorrichtungen und Einrichtungen zum Verbinden der Gewebe-Heizvorrichtungen mit einer Energiequelle; wobei die Gewebe-Heizvorrichtungen integral an den Blättern angeordnet sind, um Wärme gleichmäßig an der Oberfläche der Blätter bereitzustellen, und wobei jede Gewebe-Heizvorrichtung ein Gewebe-Heizelement (1; 20) aufweist, bestehend aus einer inneren Schicht, die aus einem Gewebe elektrisch leitfähiger Fasern gebildet ist, das zwischen zwei dielektrischen Materialien laminiert ist; zwei äußeren Schichten aus dielektrischem Material, die an gegenüberliegenden Seiten der inneren Schicht angeordnet sind und die innere Schicht einkapseln; und elektrischen Verbindungen, um die leitfähigen Fasern mit einer Energiequelle zu verbinden und um Energie aus der Energiequelle zu empfangen.