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Eiserkennung an Rotorblättern

Die Wintermonate sind mit die windstärksten im Jahr. Umso ärgerlicher ist es, wenn die Windkraftanlagen aufgrund von Eisansatz abgeschaltet werden müssen. Betreiber haben ein natürliches Interesse daran die Anlage so lange wie möglich Energie produzieren zu lassen, während die behördlichen Auflagen oftmals ein frühzeitiges Abschalten bei möglicher (Eisabwurf-)Gefahr fordern.

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Anti-Icing Maßnahmen

Abschaltungen lassen sich ganz vermeiden, wenn sichergestellt werden kann, dass es keine Eisanhaftungen gibt. Bei passiven Anti-Icing Maßnahmen wird die Oberfläche verändert, meistens durch das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht. Um den Blitzschutz zu gewährleisten kann nur mit metallfreien Werkstoffen gearbeitet werden, die jedoch nicht die gewünschte Widerstandskraft aufweisen. Deshalb konnte sich bisher noch kein Verfahren durchsetzen, da viele der Beschichtungen zu schnell erodieren und der Anti-Ice Effect wieder verloren geht.

Aktive Anti-Icing Maßnahmen werden oft durch eine vorbeugende Beheizung der Rotorblätter realisiert. Es gibt Ansätze, die z.B. Nordex nutzt, nur die Vorderkante der Rotorblätter zu beheizen, um dadurch den Energieverbrauch deutlich zu senken und die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten. Um den richtigen Beginn und ein erfolgreiches Ende der Beheizung detektieren zu können ist in beiden Fällen die Kombination mit einem Eiserkennungssystem notwendig.

Enteisungsmaßnahmen

Rotorblattheizungen lassen sich auch zum Enteisen von vereisten Rotorblättern nutzen. Werden die Rotorblätter von innen beheizt, wie es z.B. bei Enercon der Fall ist, können einfache Heizgebläse benutzt werden. Nach anfänglichen Problemen bei der Wahl des passenden Heizgebläses, wird diese Technologie nun sehr gut kontrolliert. Nur der hohe Energieverbrauch verhindert oft einen effizienten Betrieb der Windkraftanlage.

Erlaubt die Genehmigung leichte Eisbildung am Rotorblatt, bietet es sich an, die Rotorblattheizungen erst dann zu aktivieren, wenn eine Abschaltung kurz bevorsteht. Durch die Fliehkräfte bei drehendem Rotor werden dann kleinere Eisansätze von der Blattoberfläche gelöst. Durch die Fliehkräfte bei drehendem Rotor werden dann kleinere Eisansätze von der Blattoberfläche gelöst. Sollten jedoch massive Vereisungsbedingungen vorliegen, ist es oftmals sinnvoller, die Enteisung ausbleiben zu lassen, um nicht unnötig Energie aufbringen zu müssen. Für eine effiziente Steuerung der Rotorblattheizung ist es deshalb essentiell, die aktuelle Eismasse am Rotorblatt und den Zuwachs der Eismasse präzise detektieren zu können.

Eiserkennungssysteme

Für die Eisdetektion bieten sich drei verschiedene Ansätze an:

  1. Gondelbasierte Eiserkennungssysteme
  2. Leistungskurven basierte Eiserkennungssysteme
  3. Rotorblatt-Eiserkennungssysteme

Um die Sicherheit der Anlagen und ihrer Umgebung zu gewährleisten, wird von Seiten der Behörden eine maximale Eismasse je Rotorblatt angegeben, ab der abgeschaltet werden muss. Oftmals wird statt einer Gewichtsangabe eine Angabe der Eisschichtstärke verwendet, die als ungefährlich gilt.

Gondelbasierte Eiserkennungssysteme

Gondelbasierte Eiserkennungssysteme ermitteln auf der Gondel, ob die Voraussetzungen für eine Vereisung der Rotorblätter gegeben sind. Hierbei gibt es mehrere Ansätze:

Vom Vergleich zweier Anemometer, über Ultraschallmessung bis hin zur Erfassung meteorologischer Daten wie der Luftfeuchtigkeit. Allen Ansätzen gleich ist, dass auf der Gondel andere Strömungsverhältnisse als am Rotorblatt herrschen, da Rotorblätter in größere Höhen reichen und mit großen Spitzengeschwindigkeiten drehen. Ggf. beeinflusst zudem die Abwärme des Maschinenhauses die Messergebnisse. Entsprechend sensitiv müssen diese Systeme sein, um sicher Eisansatz vorhersagen zu können. Daher gelten diese Systeme zwar als kostengünstig, sind jedoch bekannt dafür zu früh abzuschalten und zu spät wieder anzufahren. Für Windkraftanlagen mit wenigen und/oder leichten Vereisungsfällen pro Jahr sind diese Systeme daher nach wie vor die erste Wahl.

Eiserkennungssysteme basierend auf der Leistungskurve

Eiserkennungssysteme basierend auf der Leistungskurve der Windenergieanlage sind tendenziell noch günstiger, da sie im Allgemeinen ganz ohne zusätzliche Hardware auskommen. Mittels ausgefeilter Algorithmen wird über die Differenz der erwarteten Leistung zur tatsächlichen Leistung der WKA auf Eisansatz geschlossen. Ein großer prinzipieller Nachteil in Bezug auf die Sicherheit der Anlagen ist jedoch, dass nur bei drehender WKA gemessen und die Differenz bestimmt werden kann. Behörden fordern deshalb in den meisten Fällen ein zweites Eiserkennungssystem, das diese Lücke schließt.

Rotorblatt-Eiserkennungssysteme

Durch striktere Anforderungen seitens der Behörden und einem zunehmenden Kostendruck wurden in den letzten Jahren verstärkt technische Neuentwicklungen präsentiert. Hierbei geht der Trend klar zu Sensorik am und im Rotorblatt. Das gängigste Verfahren ist die Schwingungsmessung am Rotorblatt. Ein vereistes und damit schwereres Rotorblatt schwingt langsamer als ein eisfreies Rotorblatt. Grundsätzlich werden die Schwingungen mit unterschiedlichen Sensoren erfasst:

  • Elektrische Beschleunigungssensoren
  • Faseroptische Beschleunigungssensoren
  • Kameras

fos4X bietet mit fos4Blade IceDetection ein System basierend auf faseroptischer Vibrationssensorik an. Bei der Auswahl von Sensoren zur Installation im Rotorblatt ist insbesondere auf den Blitzschutz zu achten. Hier sind passive, faseroptische Sensoren gegenüber elektrischen Sensoren im Vorteil. Weitere wichtige Kriterien bei der Auswahl des geeigneten Eiserkennungssystems sind:

  • Kalibrierung: Wie schnell kann das System kalibriert werden, um die angegebene Präzision zu erreichen? Welche Daten werden dafür vom Anlagenbetreiber, vom Hersteller und von der Anlage selbst benötigt? Wie oft wird kalibriert bzw. muss neu kalibriert werden? Erfolgt die Kalibrierung manuell oder automatisch?
  • Installationsaufwand: Ist das System im Retrofit einfach zu installieren oder werden kostenintensive Hubbühnen oder speziell geschultes Personal benötigt? Wie lange ist die Anlage dafür stillzusetzen?
  • Datenanbindung: Welche Datenanbindung ist vorhanden? Wird die Verbindung für den aktiven Betrieb benötigt oder nur für Wartungen?
  • Zertifizierung: Ist das System zertifiziert?
  • Autom. Wiederanfahren: Unter welchen Bedingungen ist das System für autom. Wiederanfahren zugelassen?
  • Betriebsbedingungen: In welchen Betriebszuständen arbeitet das System? Wann nicht?
  • Nachlaufzeit: Wie schnell kann das System zuverlässig Eis erkennen, nachdem es betriebsbereit ist?
  • Schnittstellen: Welche Softwareschnittstellen bietet das System?
  • Wartung: Welche Komponenten müssen in welchen zeitlichen Abständen gewartet werden? Sind Komponenten mit typischerweise kurzen Lebensdauern verbaut? Sind die Sensoren im Falle eines Defekts einfach zu ersetzen?
  • Wartungsvertrag: Kann das System mit in den Vollwartungsvertrag aufgenommen werden?
  • Insellösung oder umfängliche Funktionserweiterungen: Ist das System eine reine Insellösung für Eisproblematiken oder bietet das System weiterführende Funktionen, beispielsweise Zustandsüberwachung oder andere Analysemöglichkeiten für ein besseres Betriebsverständnis der Anlagen im Park?

Eiserkennungssysteme sind ein wichtiges System zur Erweiterung des Funktionsumfangs, um im Winter Stillstandszeiten von Windkraftanlagen möglichst gering zu halten. Der Spagat zwischen geforderter Sicherheit und möglichst geringen Ertragsausfällen ist schwierig, doch insbesondere in vereisungsgefährdeten Regionen können neue Ansätze diesen Spagat schaffen.

 

Weiterführende Informationen:

Universitäten, Hochschulen und weitere Forschungseinrichtungen:

 

Rechtliches, Genehmigungen und Merkblätter:

 

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