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WO2003058063A1 - Rotorblattheizung - Google Patents

Rotorblattheizung Download PDF

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Publication number
WO2003058063A1
WO2003058063A1 PCT/DE2003/000063 DE0300063W WO03058063A1 WO 2003058063 A1 WO2003058063 A1 WO 2003058063A1 DE 0300063 W DE0300063 W DE 0300063W WO 03058063 A1 WO03058063 A1 WO 03058063A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor blade
heater according
heating layer
cavity
heating
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/000063
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christina Musekamp
Original Assignee
Christina Musekamp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Christina Musekamp filed Critical Christina Musekamp
Priority to DE10390033T priority Critical patent/DE10390033D2/de
Priority to AU2003205519A priority patent/AU2003205519A1/en
Publication of WO2003058063A1 publication Critical patent/WO2003058063A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/30—Lightning protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/40—Ice detection; De-icing means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a rotor blade heater according to the preamble of claim 1.
  • Rotor blades such as those used in particular in wind turbines, are generally hollow.
  • the rotor blades are usually made of an electrically non-conductive material, for example to avoid lightning strikes and to enable weight-reduced production. Particularly at temperatures around freezing point and a high degree of air humidity, weather phenomena can occur, which are critical for the rotor blades in several respects.
  • Thunderstorms can develop even at temperatures around freezing, whereby there is always a risk of severe damage or failure of the entire system due to a crash.
  • One measure already mentioned to counteract such failures of a wind power plant is the manufacture of the rotor blades from electrically non-conductive materials.
  • the invention is based on the object of providing a rotor blade heater which is simple in structure, has a high degree of efficiency and, if possible, can also be activated at least temporarily and / or at least in the critical areas of a rotor blade during operation of the wind turbine.
  • the avoidance of the risk of lightning strikes should be taken into account.
  • a rotor blade heater according to the invention has an electrically conductive heating layer which at least temporarily and / or at least in sections adapts to the geometry of the cavity in the cavity of each rotor blade.
  • This rotor blade heating as it can be used not only for wind turbines, but also for all types of propellers, is very simple, can be manufactured inexpensively and enables flexible use depending on the weather conditions, without the system operated with it Must be brought to a standstill.
  • the rotor blade heater serves the purpose of protecting the rotor blades equipped therewith against ice infestation or of freeing infected areas from ice without requiring complex mechanics.
  • the heat energy generated generates measurable infrared radiation, so that an additional safety aspect can be guaranteed.
  • the heat energy emitted can be recorded by infrared measuring devices, such as those found in aircraft. This means that these wind turbines are visible to aircraft with appropriate security technology, even if the weather conditions would not normally make this possible.
  • a rotor blade heater according to the invention consequently emits far infrared radiation (FIR).
  • FIR far infrared radiation
  • the temporary use of the rotor blade heater according to the invention enables the removal of layers of ice only when it is really necessary. This measure also leads to energy savings, since the rotor blade heating only has to be operated when there is actually a risk of ice infestation or if there is already one.
  • a sensible embodiment of a rotor blade heater according to the invention can be seen, for example, in the fact that the heating layer consists of a film, a fabric or a fleece which is loosely inserted into the cavity of the rotor blade or attached to the inner surface of the cavity or integrated into the inner surface.
  • the materials for the heating layer are only mentioned here as examples:
  • All designs can be designed as self-supporting, solidified or else as elastic, flexible, preferably band-shaped materials. Such band-shaped strips can be produced very economically, are easy to process and have a low volume and weight.
  • the carbon or carbon fibers have an electrical conductivity with a resistance, so that this provides an effective heating element with high efficiency.
  • these carbon fibers can be supported by polyester threads or can also be integrated into a film. This allows fabric or fabric-like structures to be produced which, after their use in the cavity of the rotor blade, are provided with electrodes for the power supply and can thus be used without major assembly work. It is particularly advantageous to design the rotor blade heater as a thin-layer, flexible material, it being possible for the heating layer to be accommodated within an elastic or also in a rigid film. It is important that the materials can be easily adapted to the geometry of the inner surface of the cavity of the rotor blade.
  • connection of different materials with each other is within the scope of the inventive concept.
  • a fabric made of mentioned materials can be provided in connection with a plastic fiber.
  • the heating layer can consist of carbon fibers or carbon fiber composite materials or only have these materials, which in turn can be designed as a woven or non-woven fabric or as a graphite emulsion.
  • the electrodes can also be used as a holder for the heating layer.
  • one heating layer can be sufficient to enable an effective removal of ice or to prevent ice infestation.
  • a plurality of heating layers one above the other which, for example, can also be switched on or off at different times.
  • a perforated or slotted heating layer of this type can be applied to a carrier material and then made into an integral part of the rotor blade, for example by casting with a liquid plastic.
  • the liquid plastic penetrates the heating layer in the sections of its perforation or slit and unites then with the carrier material so that the heating layer can be completely integrated into the material of the rotor blade.
  • the insulating layer which should preferably be on the inside of the cavity, allows the heat generated by the heating layer to escape to the outer surface of the component equipped with it almost without loss and in the shortest possible time, so that a very rapid removal of ice is possible.
  • the heating layer can be used not only in the area of the rotor blade, but also as a component of the rotor head and / or the rotor hub of a wind power plant or of a drive unit coupled to the wind power plant.
  • the rotor head, the rotor hub and the drive unit are provided with an insulating layer towards the core and insulated in such a way that the heat emitted by the heating layer penetrates to the outside almost without loss and in the shortest possible time.
  • the heating layer can be used not only to clear ice in the area of the critical zones of the rotor blades, but also in the area of the rotor head, the rotor hub and possibly other units on the wind turbine.
  • Known plastics or other materials can be used as insulation materials.
  • a heating layer that only temporarily adapts to the inner surface of the cavity of the rotor blade can also be realized by an embodiment in which the heating layer is loosely inserted into the cavity.
  • a volume-expandable hose element that can be inserted into the cavity of the rotor blade enables a direct contact between the heating layer and the inner surface of the cavity of the rotor blade.
  • the variant of loosely inserting the heating layer into the interior of the cavity is only one possible embodiment in which the expanded hose element presses the heating layer against the inner wall of the cavity.
  • the hose element is provided with the heating layer at least on a part of its outer surface or is enveloped by it as a whole.
  • the hose element inserted into the cavity of the rotor blade is inflated, for example, by means of compressed air and thus presses against the inner surface of the cavity of the rotor blade. After the corresponding heating layer has heated the rotor blade heating and the rotor blade has been freed of ice, the volume of the tube element can be reduced again and can be removed from the cavity.
  • a rotor blade heater that adapts to the geometry of the cavity is also hereby guaranteed.
  • a balloon or an inflatable tube can be used as the tube element.
  • At least one traction means is used to introduce the hose element into the cavity of the rotor blade or for the opposite movement of the hose element.
  • two traction means are preferably used which, for example, enable the hose element to be wound up and unwound by means of a drive unit.
  • An electric motor can advantageously be used as the drive unit Bring use, the volume increase of the hose element can be made possible by means of a compressor.
  • the entire rotor blade heater according to the invention can be operated by means of temperature sensors and thermometers and with the help of electronic controls and is therefore controllable or regulatable.
  • electronic controls and is therefore controllable or regulatable.
  • remote control in the sense of the invention, which is particularly useful in offshore wind turbines.
  • Figure 1 sections of a first embodiment of a
  • FIG. 2 a second embodiment of a rotor blade heater in a partially cut rotor blade
  • FIG. 3 shows the section profile HI - in from FIG. 2
  • FIG. 4 shows the section profile IV-IV from FIG. 2
  • FIG. 5 shows a schematically greatly simplified illustration of a
  • FIG. 6 Rotor blade heating with a hose element and FIG. 6: a section of a heating layer for the rotor hub of a wind turbine.
  • FIG. 1 shows a section of a first variant of a rotor blade heater according to the invention.
  • the end region of a rotor blade 2 is shown here, which overall consists of an electrically non-conductive material.
  • the rotor blade 2 has a cavity 1, on the inner surface 4 of which one Heating layer 3 is attached.
  • This heating layer 3 is supplied with an electrical voltage by means of two electrodes 5 and can thus be heated.
  • the electrodes 5 are therefore attached to the heating layer 3 in such a way that they are predominantly located in the area of the hub of the wind power plant.
  • the heating layer 3 is only applied in the critical areas of the rotor blade 2. These are especially the leading edges and the tips.
  • the direction of rotation of the rotor blade 2 is illustrated by the arrow A in the right part of the figure in FIG.
  • the activated heating layer 3 heats the outer surface 7 of the rotor blade in the shortest possible time and thus an infestation with an ice layer can be prevented or existing ice can be defrosted.
  • the use of the rotor blade heater shown is also possible during the operation of the wind turbine. A shutdown is not necessary.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a rotor blade heater according to the invention.
  • the rotor blade 2 is also moved in the direction of arrow A in this variant. It has a cavity 1, in which a guide 10 is integrated.
  • a hose element 9 that can be wound up or unwound is inserted between the inner surface 4 of the cavity 1 and the guide 10.
  • This hose element 9 is coupled at its two ends to a traction means 11 and 13, respectively.
  • the hose element 9 can be wound up or unwound by means of these traction means, wherein the guide 10 enables the movement of the hose element along the inner surface 4 of the cavity 1 of the rotor blade 2.
  • the hose element 9 does not become effective over the entire inner surface of the cavity 1, but only the critical areas of the Rotor blade 2 is acted upon by the tubular element 9.
  • a heating layer 3 is attached to the outer surface of the hose element 9. This is wound up or unwound with the hose element 9.
  • the hose element 9 is in turn designed to be volume-expandable, so that it can be inflated, for example, by means of a compressed air compressor. After unrolling the tube element 9, it is initially loosely between the guide 10 and the inner surface 4 of the rotor blade. After the compressor has been activated and the tube element 9 has been expanded to its final volume, the heating layer 3 is in direct contact with the inner surface 4 of the cavity 1 of the rotor blade 2.
  • the heating layer 3 is now activated, so that the heating of the outer surface 7 of the rotor blade 2 increases liberation from the ice layer that may be present there.
  • the arrows D and E symbolically represent the possible directions of movement of the traction means 11 and 13, respectively.
  • FIG. 3 shows a section through the tube element 9, which can be moved into or out of the cavity 1 of the rotor blade 2 above the guide 10. After the volume expansion of the tubular element 9 to its maximum size, this is due to the
  • FIG. 4 shows the traction means 13, as can also be moved back and forth between the guide 10 and the inner surface 4 of the cavity 1 of the rotor blade 2.
  • FIG. 5 shows, in a highly simplified manner, a possible variant of the operation of a rotor blade heater according to the invention.
  • the hose element 9 is in the manner described above along a guide 10 in the cavity 1 of the Rotor blade 2 movably guided. It can be wound up or unwound because there is a coupling with the drive shaft of a drive unit 12 via the traction means 11.
  • the drive shaft of the drive unit 12 is rotatable in both directions of movement. The possible directions of rotation are illustrated by arrow B in FIG. 5.
  • the surface of the tubular element is provided with the heating layer 3. Its volume is expandable until it comes to rest on the inner surface 4 of the cavity 1 of the rotor blade 2.
  • the volume expansion is made possible by a compressor 14 which can be coupled to the hose element 9 via a valve coupling 15.
  • the direction of movement C in FIG. 5 illustrates the coupling movement between the hose element 9 and the compressor 14 in the region of the valve coupling 15.
  • an insulation layer 8 can be provided below a heating layer 3 connected to the inner surface 4 of the cavity 1.
  • This insulation layer 8 enables the heat generated in the heating layer 3 to escape in the shortest possible time. The heat can thus escape in the direction of the outer surface 7 with almost no loss.
  • Such an insulation layer combination is also possible for the area of the rotor head or the rotor hub or a drive unit attached to the wind turbine.

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Rotorblattheizung vorgestellt, wie sie insbesondere für Windkraftanlagen zum Einsatz kommen kann, deren mit einem Hohlraum (1) ausgebildete Rotorblätter (2) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen. Erfindungsgemäß ist in dem Hohlraum (1) eines jeden Rotorblattes (2) eine sich der Geometrie des Hohlraumes (1) zumindest zeitweise und/oder wenigstens abschnittsweise anpassende Rotorblattheizung aus einer elektrisch leitfähigen Heizschicht (3) vorhanden.

Description

Rotorblattheizung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Rotorblattheizung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Rotorblätter, wie sie insbesondere in Windkraftanlagen zum Einsatz kommen, sind in der Regel hohl ausgebildet. Die Rotorblätter werden zumeist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material hergestellt, um beispielsweise Blitzeinschläge zu vermeiden und eine gewichtsreduzierte Herstellung zu ermöglichen. Insbesondere bei Temperaturen um den Gefrierpunkt und einem hohen Grad an Luftfeuchtigkeit kann es zu Witterungserscheinungen kommen, die für die Rotorblätter in mehrfacher Hinsicht kritisch sind.
So ist es einerseits möglich, dass die Rotorblätter vereisen, wobei bereits geringste Vereisungen zu erheblichen Unwuchten fuhren, die Schäden an der Windkraftanlage mit sich bringen.
Andererseits bilden Blitzeinschläge eine besondere Gefahr für die Rotorblätter. Gewitter können sich selbst bei Temperaturen um den Gefrierpunkt ausbilden, wobei durch einen Einschlag in jedem Fall die Gefahr einer schweren Schädigung beziehungsweise des Ausfalls der gesamten Anlage besteht. Eine bereits erwähnte Maßnahme, derartigen Ausfällen einer Windkraftanlage entgegenzuwirken, ist die Herstellung der Rotorblätter aus elektrisch nicht leitfähigen Materialien.
Zur Vermeidung von Vereisungen an den Rotorblättern sind beispielsweise aus der DE 198 02 574 AI, der DE 196 21 485 AI oder aus der DE 195 28 862 AI Luftgebläseheizungen bekannt, bei denen Luft erwärmt wird und das Rotorblatt durch diese erwärmte Luft vor Vereisungen geschützt beziehungsweise von Vereisungen befreit wird. Der technische Aufwand für eine derartige Lufterwärmung der Rotorblätter ist relativ hoch, wobei einige Ausfuhrungen sogar ein Anhalten der Anlage erfordern, bis die Rotorblätter enteist sind. Durch den hieraus resultierenden Betriebsausfall ist es für diese Zeit nicht möglich, Elektroenergie zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Rotorblattheizung zu schaffen, die in ihrem Aufbau einfach ist, einen hohen Wirkungsgrad aufweist und möglichst auch während des Betriebes der Windkraftanlage zumindest zeitweise und/oder wenigstens in den kritischen Bereichen eines Rotorblattes aktiviert werden kann. Die Vermeidung der Gefahr von Blitzeinschlägen sollte dabei berücksichtigt werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die technischen Merkmale des
Patentanspruches 1.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Rotorblattheizung, deren mit einem Hohlraum ausgebildete Rotorblätter aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen, weist eine in den Hohlraum eines jeden Rotorblattes sich der Geometrie des Hohlraumes zumindest zeitweise und/oder wenigstens abschnittsweise anpassende elektrisch leitfähige Heizschicht auf. Diese Rotorblattheizung, wie sie im Übrigen nicht nur für Windkraftanlagen, sondern auch für jegliche Arten von Propellern zum Einsatz kommen kann, ist sehr einfach aufgebaut, kann damit kostengünstig hergestellt werden und ermöglicht einen flexiblen Einsatz je nach Witterungsbedingungen, ohne dass die damit betriebene Anlage zum Stillstand gebracht werden muss.
Die Rotorblattheizung erfüllt erstens den Zweck, ohne eine aufwendige Mechanik zu benötigen, die damit ausgestatteten Rotorblätter vor Eisbefall zu schützen beziehungsweise befallene Stellen von Eis zu befreien. Zweitens wird durch die erzeugte Wärmeenergie eine messbare Infrarotstrahlung erzeugt, sodass hierdurch ein zusätzlicher Sicherheitsaspekt gewährleistet werden kann. Die abgegebene Wärmeenergie kann durch Infrarotmessgeräte, wie sie beispielsweise in Flugzeugen vorhanden sind, erfasst werden. Somit sind diese Windkraftanlagen für Flugzeuge mit entsprechender Sicherheitstechnik sichtbar, auch wenn die Witterungsverhältnisse dies normalerweise nicht ermöglichen würden. Eine erfindungsgemäße Rotorblattheizung emittiert folglich ferne Infrarotstrahlung (FIR).
Es ist jedoch auch im Sinne der Erfindung, nur Teile des Hohlraumes eines jeden Rotorblattes mit einer Heizschicht auszustatten. Eine teilweise Ausrüstung des Rotorblattes mit einer Heizschicht ermöglicht einerseits eine Energieersparnis und andererseits können damit lediglich die kritischen Bereiche des Rotorblattes vor Eisbefall geschützt werden.
Der zeitweise Einsatz der erfindungsgemäßen Rotorblattheizung ermöglicht die Befreiung von Eisschichten nur dann, wenn sie wirklich erforderlich wird. Auch diese Maßnahme führt zu einer Energieersparnis, da die Rotorblattheizung nur betrieben werden muss, wenn tatsächlich ein Eisbefall zu befürchten oder bereits vorhanden ist. Eine sinnvolle Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Rotorblattheizung kann beispielsweise darin gesehen werden, dass die Heizschicht aus einer Folie, einem Gewebe oder einem Vlies besteht, die oder das lose in den Hohlraum des Rotorblattes eingelegt oder an der Innenoberfläche des Hohlraumes angebracht beziehungsweise in die Innenoberfläche integriert ist. Als Materialien für die Heizschicht seien hier nur beispielhaft genannt:
- Kohlenstofffasern
- Kohlenstoff-Glasfasern
- Kohlenstofffilze
- Kohlenstoff-Glasfaservliese oder Karbonvliese.
Sämtliche Ausführungen können als selbsttragende, verfestigte oder aber als elastische, flexible, bevorzugt bandförmige Materialien ausgeführt sein. Derartige bandförmige Streifen lassen sich sehr wirtschaftlich herstellen, einfach verarbeiten und weisen ein geringes Volumen und Gewicht auf. Der Kohlenstoff beziehungsweise die Kohlefasern haben eine elektrische Leitfähigkeit mit einem Widerstand, sodass hierdurch ein wirkungsvolles Heizelement mit hohem Wirkungsgrad bereitgestellt wird. Zur Verstärkung können diese Kohlefasern durch Polyesterfäden gestützt werden oder auch in eine Folie integriert sein. Damit lassen sich Gewebe oder gewebeartige Strukturen herstellen, die nach ihrem Einsatz in den Hohlraum des Rotorblattes mit Elektroden zur Stromversorgung versehen werden und somit ohne größere Montageaufwändungen einsatzfähig sind. Von besonderem Vorteil ist es, die Rotorblattheizung als ein dünnschichtiges, flexibles Material auszuführen, wobei die Heizschicht innerhalb einer elastischen oder auch in einer starren Folie aufgenommen sein kann. Von Bedeutung ist, dass die Materialien in einfacher Weise an die Geometrie der Innenoberfläche des Hohlraumes des Rotorblattes anpassbar sind.
Die Verbindungen verschiedener Werkstoffe miteinander liegt im Bereich des Erfindungsgedankens. So kann beispielsweise auch ein Gewebe aus den erwähnten Materialien in Verbindung mit einer Kunststofffaser vorgesehen werden.
Wie bereits erwähnt kann die Heizschicht aus Kohlefasern beziehungsweise Kohlefaser- Verbundwerkstoffen bestehen oder diese Werkstoffe lediglich aufweisen, die ihrerseits als Gewebe oder Vlies beziehungsweise als Grafitemulsion ausgeführt sein können.
Zur Verringerung der Gefahr von Blitzeinschlägen in die Rotorblätter ist es sinnvoll, möglichst wenige metallische Elemente in oder an den Rotorblättern anzuordnen. Deshalb empfiehlt es sich, die Elektroden an der Heizschicht derart zu befestigen, dass sie sich überwiegend im Bereich der Nabe der Windkraftanlage befinden.
Die Elektroden sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung gleichfalls als Halterung der Heizschicht nutzbar.
Je nach Heizleistung und gewünschter Intensität der Rotorblattheizung kann eine Heizschicht ausreichend sein, um eine wirksame Befreiung von Eis zu ermöglichen oder Eisbefall vorzubeugen. Ebenso ist es jedoch denkbar, mehrere Heizschichten übereinander anzuordnen, die beispielsweise auch zeitversetzt zueinander zu- oder abschaltbar sind.
Als eine weitere, sehr sinnvolle Ausgestaltung hat sich die Ausführung der Heizschicht in perforierter oder geschlitzter Form herausgestellt. Durch eine derartige perforierte beziehungsweise geschlitzte Heizschicht kann diese auf ein Trägermaterial aufgebracht werden und anschließend beispielsweise durch Umgießen mit einem flüssigen Kunststoff zu einem integralen Bestandteil des Rotorblattes gemacht werden. Der flüssige Kunststoff durchdringt die Heizschicht in den Abschnitten ihrer Perforierung beziehungsweise Schlitzung und vereinigt sich dann mit dem Trägerwerkstoff, sodass die Heizschicht komplett in das Material des Rotorblattes integrierbar ist.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Heizschicht einer erfindungsgemäßen Rotorblattheizung ist es darüber hinaus möglich, diese mit einer Dämmschicht auszustatten. Die Dämmschicht, die vorzugsweise auf der Innenseite des Hohlraumes vorhanden sein sollte, ermöglicht den Austritt der durch die Heizschicht erzeugten Wärme nahezu verlustlos und in kürzest möglicher Zeit zur Außenoberfläche des damit ausgestatteten Bauteiles, sodass eine sehr zügige Befreiung von Eis möglich wird.
Entsprechend einer weiteren sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung kann die Heizschicht nämlich nicht nur im Bereich des Rotorblattes, sondern auch als Bestandteil des Rotorkopfes und/oder der Rotornabe einer Windkraftanlage beziehungsweise eines mit der Windkraftanlage gekoppelten Antriebsaggregates zum Einsatz kommen. Der Rotorkopf, die Rotornabe beziehungsweise das Antriebsaggregat werden zum Kern hin mit einer Dämmschicht versehen und derart gedämmt, dass die von der Heizschicht abgegebene Wärme nahezu verlustlos und in kürzester Zeit nach außen dringt. Damit lässt sich die Heizschicht nicht nur zur Befreiung von Eis im Bereich der kritischen Zonen der Rotorblätter, sondern auch im Bereich des Rotorkopfes, der Rotornabe und ggf. weiterer Aggregate an der Windkraftanlage zum Einsatz bringen. Als Dämmstoffe lassen sich bekannte Kunststoffe oder andere Materialien einsetzten.
Eine sich nur zeitweise an die Innenoberfläche des Hohlraumes des Rotorblattes anpassende Heizschicht kann auch durch eine Ausführungsform realisiert werden, bei der die Heizschicht lose in den Hohlraum eingelegt ist. Ein in den Hohlraum des Rotorblattes einführbares volumenexpansibles Schlauchelement ermöglicht einen unmittelbaren Berührungskontakt zwischen der Heizschicht und der Innenoberfläche des Hohlraumes des Rotorblattes.
Die Variante, die Heizschicht lose in den Innenraum des Hohlraumes einzulegen, stellt jedoch nur eine Ausführungsmöglichkeit dar, bei der das expandierte Schlauchelement die Heizschicht gegen die Innenwandung des Hohlraumes drückt. Eine andere Lösung kann darin gesehen werden, dass das Schlauchelement zumindest an einem Teil seiner Außenoberfläche mit der Heizschicht versehen oder insgesamt von dieser eingehüllt wird. Das in den Hohlraum des Rotorblattes eingeführte Schlauchelement wird beispielsweise mittels Druckluft aufgeblasen und presst sich somit gegen die Innenoberfläche des Hohlraumes des Rotorblattes. Nachdem die entsprechende Heizschicht zur Erwärmung der Rotorblattheizung geführt hat und das Rotorblatt vom Eis befreit wurde, kann das Schlauchelement wieder in seinem Volumen reduziert werden und ist aus dem Hohlraum entfernbar.
Da das Schlauchelement nicht die gesamte Innenoberfläche des Hohlraumes bedecken muss, ist hiermit ferner eine abschnittsweise, sich der Geometrie des Hohlraumes anpassende Rotorblattheizung gewährleistet. Als Schlauchelement kann beispielsweise ein Ballon oder ein aufblasbarer Schlauch Verwendung finden.
Um das Schlauchelement gerichtet und gezielt in die kritischen Bereiche des Rotorblattes führen zu können, wird ferner vorgeschlagen, dieses entlang einer in dem Hohlraum des Rotorblattes vorhandenen Führung bewegbar auszuführen. Zur Einführung des Schlauchelementes in den Hohlraum des Rotorblattes beziehungsweise zur entgegengesetzten Bewegung des Schlauchelementes wird erfindungsgemäß zumindest ein Zugmittel zum Einsatz gebracht. Bevorzugt werden jedoch zwei Zugmittel verwendet, die beispielsweise durch ein Antriebsaggregat das Auf- und Abwickeln des Schlauchelementes ermöglichen. Als Antriebsaggregat lässt sich in vorteilhafter Weiser ein Elektromotor zum Einsatz bringen, wobei die Volumenvergrößerung des Schlauchelementes mittels eines Kompressors ermöglicht werden kann.
Es bedarf keiner besonderen Erwähnung, dass die gesamte erfindungsgemäße Rotorblattheizung mittels Temperaturfühlern und Thermometern sowie mit Hilfe elektronischer Steuerungen betrieben werden kann und somit steuerbar oder regelbar ist. Selbstverständlich liegt auch eine Fernsteuerung im Sinne der Erfindung, was insbesondere bei Offshore- Windanlagen sinnvoll ist.
Einige Ausfuhrungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Rotorblattheizung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : ausschnittsweise eine erste Ausführungsvariante einer
Rotorblattheizung,
Figur 2: eine zweite Ausführungsform einer Rotorblattheizung in einem teilweise geschnittenen Rotorblatt,
Figur 3 den Schnittverlauf HI - in aus Figur 2, Figur 4 den Schnittverlauf IV - IV aus Figur 2, Figur 5 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer
Rotorblattheizung mit einem Schlauchelement und Figur 6: ausschnittsweise eine Darstellung einer Heizschicht für die Rotornabe einer Windkraftanlage.
In der Figur 1 ist ausschnittsweise eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Rotorblattheizung gezeigt. Dargestellt wird hier der Endbereich eines Rotorblattes 2, welches insgesamt aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material besteht. Das Rotorblatt 2 weist einen Hohlraum 1 auf, an dessen Innenoberfläche 4 eine Heizschicht 3 angebracht ist. Diese Heizschicht 3 wird mittels zweier Elektroden 5 mit einer elektrischen Spannung versorgt und ist damit aufheizbar. Zur Verringerung der Gefahr von Blitzeinschlägen in die Rotorblätter ist es sinnvoll, möglichst wenige metallische Elemente in oder an den Rotorblättern anzuordnen. Deshalb sind die Elektroden 5 an der Heizschicht 3 derart befestigt, dass sie sich überwiegend im Bereich der Nabe der Windkraftanlage befinden. Zur Halterung der Heizschicht 3 an der Innenoberfläche 4 des Hohlraumes 1 dienen hier Klebebänder 6, die mit einer Klebeschicht versehen sind. Wie aus der Darstellung entnehmbar ist, wird die Heizschicht 3 nur in den kritischen Bereichen des Rotorblattes 2 angebracht. Dies sind insbesondere die Vorderkanten und die Spitzen. Mit dem Pfeil A im rechten Bildteil der Figur 1 wird die Drehrichtung des Rotorblattes 2 veranschaulicht. Durch die aktivierte Heizschicht 3 wird die Außenoberfläche 7 des Rotorblattes in kürzestmöglicher Zeit erwärmt und es kann somit ein Befall mit einer Eisschicht verhindert beziehungsweise bereits vorhandenes Eis abgetaut werden. Der Einsatz der dargestellten Rotorblattheizung ist auch während des Betriebes des Windkraftrades möglich. Eine Abschaltung ist nicht erforderlich.
In der Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotorblattheizung dargestellt. Das Rotorblatt 2 wird auch bei dieser Variante in Richtung des Pfeils A bewegt. Es weist einen Hohlraum 1 auf, in den eine Führung 10 integriert ist. Zwischen der Innenoberfläche 4 des Hohlraumes 1 und der Führung 10 ist ein auf- beziehungsweise abwickelbares Schlauchelement 9 eingesetzt. Dieses Schlauchelement 9 ist an seinen beiden Enden jeweils mit einem Zugmittel 11 beziehungsweise 13 gekoppelt. Durch diese Zugmittel ist das Schlauchelement 9 auf- beziehungsweise abwickelbar, wobei die Führung 10 die Bewegung des Schlauchelementes entlang der Innenoberfläche 4 des Hohlraumes 1 des Rotorblattes 2 ermöglicht. Wie aus der Darstellung der Figur 2 entnehmbar ist, wird das Schlauchelement 9 nicht über die gesamte Innenoberfläche des Hohlraumes 1 wirksam, sondern es werden nur die kritischen Bereiche des Rotorblattes 2 mit dem Schlauchelement 9 beaufschlagt. An der Außenoberfläche des Schlauchelementes 9 ist eine Heizschicht 3 befestigt. Diese wird mit dem Schlauchelement 9 auf- beziehungsweise abgewickelt. Das Schlauchelement 9 ist seinerseits volumenexpansibel ausgeführt, sodass es beispielsweise mittels eines Druckluftkompressors aufgeblasen werden kann. Nach dem Entrollen des Schlauchelementes 9 liegt dieses zunächst lose zwischen der Führung 10 und der Innenoberfläche 4 des Rotorblattes. Nachdem der Kompressor aktiviert und das Schlauchelement 9 auf sein Endvolumen expandiert wurde, befindet sich die Heizschicht 3 in unmittelbarem Berührungskontakt mit der Innenoberfläche 4 des Hohlraumes 1 des Rotorblattes 2. Die Heizschicht 3 wird nunmehr aktiviert, sodass die Erwärmung der Außenoberfläche 7 des Rotorblattes 2 zu einer Befreiung von der dort möglicherweise vorhandenen Eisschicht führt. Durch die Pfeile D und E ist die jeweils mögliche Bewegungsrichtung der Zugmittel 11 beziehungsweise 13 symbolisch dargestellt worden.
In den Figuren 3 und 4 sind die Schnittdarstellungen entsprechend der
Schnittverläufe in - HI und IV - IV in Figur 2 gezeigt.
Die Figur 3 zeigt dabei einen Schnitt durch das Schlauchelement 9, welches oberhalb der Führung 10 in den Hohlraum 1 des Rotorblattes 2 hinein beziehungsweise aus diesem heraus bewegbar ist. Nach der Volumenexpansion des Schlauchelementes 9 auf seine maximale Größe liegt dieses an der
Innenoberfläche 4 des Hohlraumes 1 an.
Die Figur 4 zeigt das Zugmittel 13, wie es ebenfalls zwischen der Führung 10 und der Innenoberfläche 4 des Hohlraumes 1 des Rotorblattes 2 hin und her bewegbar ist.
In der Figur 5 wird stark vereinfacht eine mögliche Variante des Betriebes einer Rotorblattheizung nach der Erfindung dargestellt. Hierbei ist das Schlauchelement 9 in der zuvor beschriebenen Weise entlang einer Führung 10 im Hohlraum 1 des Rotorblattes 2 bewegbar geführt. Es kann auf- beziehungsweise abgewickelt werden, weil über das Zugmittel 11 eine Kopplung mit der Antriebswelle eines Antriebsaggregates 12 vorhanden ist. Wenn hier von vereinfachter Darstellung die Rede ist, so ist damit selbstverständlich gemeint, dass auch die Zwischenschaltung von Getriebeelementen zwischen dem Zugmittel 11 und dem Antriebsaggregat 12 möglich ist. Diese sind aus Vereinfachungsgründen jedoch in der Figur 5 nicht dargestellt. Die Antriebswelle des Antriebsaggregates 12 ist in beiden Bewegungsrichtungen drehbar. Die möglichen Drehrichtungen sind durch den Pfeil B in Figur 5 veranschaulicht. Das Schlauchelement ist auf seiner Oberfläche mit der Heizschicht 3 versehen. Es ist in seinem Volumen expandierbar, bis es an der Innenoberfläche 4 des Hohlraumes 1 des Rotorblattes 2 zur Anlage kommt. Die Volumenexpansion wird durch einen Kompressor 14 ermöglicht, der über eine Ventilkopplung 15 mit dem Schlauchelement 9 koppelbar ist. Die Bewegungsrichtung C in Figur 5 veranschaulicht die Kopplungsbewegung zwischen Schlauchelement 9 und Kompressor 14 im Bereich der Ventilkopplung 15.
Um eine möglichst wirksame Rotorblattheizung zur Verfügung zu stellen, kann, wie dies in der Figur 6 dargestellt ist, unterhalb einer mit der Innenoberfläche 4 des Hohlraumes 1 verbundenen Heizschicht 3 eine Dämmschicht 8 vorgesehen werden. Diese Dämmschicht 8 ermöglicht den Austritt der in der Heizschicht 3 erzeugten Wärme in kürzestmöglicher Zeit. Der Austritt der Wärme in Richtung Außenoberfläche 7 ist damit nahezu verlustlos möglich. Eine derartige Dämmschichtkombination ist ebenso für den Bereich des Rotorkopfes oder der Rotornabe beziehungsweise eines an der Windkraftanlage befestigten Antriebsaggregates möglich. Bezu gszeich en liste ;
1 Hohlraum
2 Rotorblatt
3 Heizschicht
4 Innenoberfläche
5 Elektroden
6 Klebeband
7 Außenoberfläche
8 Dämmschicht
9 Schlauchelement
10 Führung
11 Zugmittel
12 Antriebsaggregat
13 Zugmittel
14 Kompressor
15 Ventilkopplung
A, B, C, D, E Bewegungs- beziehungsweise Drehrichtung

Claims

RotorblattheizungPatentansprüche
1. Rotorblattheizung, insbesondere für Windkraftanlagen, deren mit einem Hohlraum (1) ausgebildete Rotorblätter (2) aus einem elektrisch nicht leitfahigen Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (1) eines jeden Rotorblattes (2) eine sich der Geometrie des Hohlraumes (1) zumindest zeitweise und/oder wenigstens abschnittsweise anpassende Rotorblattheizung aus einer elektrisch leitfahigen Heizschicht (3) vorhanden ist.
2. Rotorblattheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) aus einer Folie, einem Gewebe oder einem Vlies besteht, die lose in den Hohlraum (1) des Rotorblattes (2) eingelegt oder an der Innenoberfläche (4) des Hohlraumes (1) angebracht beziehungsweise in die Innenoberfläche (4) integriert ist.
3. Rotorblattheizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) integraler Bestandteil einer elastischen oder starren Folie ist.
4. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) in einen dielektrischen, Wärme- und ferne Infrarotstrahlung (FIR) reflektierenden Folienträger oder ein elektrisch leitfähiges Schichtmaterial integriert ist.
5. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) einen elektrisch leitfahigen Heizwiderstand und Elektroden (5) zur Stromzuführung aufweist.
6. Rotorblattheizung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) durch die Elektroden (5) befestigt ist.
7. Rotorblattheizung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5) elektrisch leitende, metallische Bänder wie Kupferbänder, Silberbänder oder Aluminiumbänder aufweisen.
8. Rotorblattheizung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5) mit einem leitfähigen Klebstoff beschichtet sind.
9. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Heizschicht (3) Metall, elektrisch leitfähigen Kohlenstoff, Kunststoff, Kohlenstoff- Verbundwerkstoff, Glasfasern oder einen Glasfaserverbundwerkstoff, keramische Werkstoffe, Halbleiterwerkstoffe, Harze oder Metalloxyde aufweist.
10. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) als ein selbsttragend verfestigtes Gewebe, Vlies oder als eine selbsttragende Folie ausgeführt ist.
11. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe der Heizschicht (3) eine Faser- oder Pulverform aufweisen oder als Graphit-Emulsion oder körnige Struktur ausgebildet sind.
12. Rotorblattheizung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) mit einem Bindemittel versetzt ist.
13. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) aus mindestens einem bandförmigen Streifen besteht.
14. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) mit einem Klebeband (6) direkt an der Innenoberfläche (4) des Hohlraumes (1) des Rotorblattes (2) befestigt ist.
15. Rotorblattheizung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebeband (6) einen elektrisch leitfähigen Klebstoff aufweist.
16. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Heizschichten (3) parallel zueinander verlaufend angeordnet sind.
17. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Heizschicht (3) zumindest abschnittsweise perforiert oder geschlitzt ist.
18. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) zur Innenseite des Hohlraumes (1) des Rotorblattes (2) eine Dämmschicht (8) aufweist und derart gedämmt ist, dass die abgegebene Wärme der Heizschicht (3) nahezu verlustlos, in kürzestmöglicher Zeit nach außen dringt.
19. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (3) auch Bestandteil des Rotorkopfes und/oder der Rotornabe einer Windkraftanlage beziehungsweise eines mit der Windkraftanlage gekoppelten Antriebsaggregates ist, wobei der Rotorkopf, die Rotornabe beziehungsweise das Antriebsaggregat zum Kern hin eine Dämmschicht (8) aufweist und derart gedämmt ist, dass die abgegebene Wärme der Heizschicht (3) nahezu verlustlos, in kürzestmöglicher Zeit nach außen dringt.
20. Rotorblattheizung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämmstoff der Dämmschicht (8) ein Kunststoff ist.
21. Rotorblattheizung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattheizung ein in den Hohlraum (1) des Rotorblattes (2) einführbares, volumenexpansibles Schlauchelement (9) aufweist, sodass bei expandiertem Schlauchelement (9) ein unmittelbarer Berührungskontakt zwischen der Heizschicht (3) und der Innenoberfläche (4) des Hohlraumes (1) des Rotorblattes (2) vorhanden ist.
22. Rotorblattheizung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schlauchelement (9) ein Ballon oder ein Schlauch ist.
23. Rotorblattheizung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlauchelement (9) entlang einer in dem Hohlraum (1) des Rotorblattes (2) vorhandenen Führung (10) innerhalb des Rotorblattes (2) bewegbar ist.
24. Rotorblattheizung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlauchelement (9) durch mindestens ein Zugmittel (11) innerhalb des Hohlraumes (1) des Rotorblattes (2) bewegbar ist.
25. Rotorblattheizung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zugmittel (11) durch ein Antriebsaggregat (12) bewegbar ist.
26. Rotorblattheizung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wickelvorrichtung bestehend aus zwei Zugmitteln (11, 13) das Schlauchelement (9) beidseitig aufhimmt und die Wickelvorrichtung mit dem als Elektromotor ausgeführten Antriebsaggregat (12) gekoppelt ist, wobei das Schlauchelement (9) mittels eines Kompressors (14) expandierbar ist.
27. Rotorblattheizung nach einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Rotorblattheizung temperaturabhängig steuerbar beziehungsweise regelbar ist.
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