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Eiserkennung

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Eiserkennung an Windkraftanlagen – ein schwieriger Spagat zwischen Sicherheit und Ertragsmaximierung. fos4X bietet mit fos4Blade IceDetection ein Blatteiserkennungssystem an, das präzise kleinste Eismassen erkennt und damit so spät wie möglich die WKA abschaltet, ohne dabei die Sicherheit zu gefährden, und automatisches Wiederanfahren auch bei Nacht und Nebel ohne visuelle Inspektion vor Ort ermöglicht.

Produkthighlights

  • Präzise Eisdetektion ab 10 kg durch Sensorik im Rotorblatt
  • Dadurch Minimierung der Stillstände
  • Automatisches Wiederanfahren möglich
  • DNV GL zertifiziert
  • Im Retrofit für alle Anlagentypen verfügbar

Funktionsweise

Schwere Rotorblätter schwingen langsamer als leichte Rotorblätter. Auf dieser einfachen Idee basiert die Funktionsweise von fos4Blade IceDetection. Mit Hilfe von faseroptischen Beschleunigungssensoren im Rotorblatt wird das veränderte Schwingungsverhalten detektiert und daraus die Eismasse berechnet.

Faseroptische Sensoren sind passive Sensoren und können dadurch tief im Rotorblatt verbaut werden. Durch die exponierte Lage im Blatt werden selbst kleinste Änderungen im Schwingungsverhalten detektiert und entlang des Blattes verteilte Eismassen ab ca. 10 kg zuverlässig erkannt.

icing rotor blade wind turbine precise ice mass each bladeGrün, rot und blau zeigen die berechneten Eismassen an den einzelnen Blättern während eines beispielhaften und realem Vereisungsfalles. Es wurde bis zu 40 kg Eismasse pro Rotorblatt gemessen.

In der unteren Grafik ist in Grün die Rotordrehzahl und in rot die Windgeschwindigkeit während dieses Vereisungsfalles aufgezeichnet.

Sobald meteorologisch bedingte Vereisungsbedingungen herrschen schaltet das parallel installierte, gondelbasierte Eiserkennungssystem eines Marktbegleiters ab (Rotordrehzahl fällt auf Null).

 

 

icing rotor blade wind turbine windspeed temperatureDa sich Eis am Rotorblatt nicht punktförmig, sondern flächig bildet, wird ein gewisser Eisansatz als ungefährlich eingestuft. Die dünne Eisschicht zerbricht beim beim Ablösen in kleine Stücke. fos4Blade Ice Detection hat in diesem Fall einen Eisansatz von ca. 10 mm gemessen bzw. eine Eismasse, die 0,4 % der Gesamtmasse des Rotorblattes entspricht.

fos4Blade Ice Detection gab auf dieser Referenzanlage später das Eissignal (obere Grafik, rot) und gab die WKA wieder früher frei (rote Linie in der oberen Grafik fällt wieder auf Null ab: "Kein Eis").

 

 

 

Das präzise Messen der tatsächlichen Eismassen am Rotorblatt ermöglicht windstarke Zeiten (rote Linie in der unteren Grafik; Windgeschwindigkeit ist auf der rechten y-Achse aufgetragen) maximal auszunutzen bei Einhaltung aller Sicherheitsaspekte.

Weiterhin zeigt die untere Grafik in grün den Temperaturverlauf. Die Abschaltung der Turbine durch das alternative Eiserkennungssystem, dessen Berechnung auf meterologischen Daten basiert, erfolgte korrekt zu dem Zeitpunkt als die Aussentemperatur um die kritische Nulllinie schwankte und die Bedinungen für Eis gegeben waren.

Mit dem Ziel den Ertrag der Windkraftanlage zu optimieren wäre ein späteres Abschalten möglich und sinnvoll gewesen bei voller Gewährleistung der geforderten Sicherheit, wie sie als „sonstige Gefahren“ i.S. des § 5 BImSchG angesehen wird.

Einbindung in WEA

fos4Blade IceDetection bietet verschiedene Schnittstellen zur Anlagensteuerung, um die Windenergieanlage automatisch und ohne menschlichen Eingriff zu stoppen. Das System kann völlig autark, d.h. ohne Datenanbindung, arbeiten. Es empfiehlt sich jedoch eine Datenverbindung, unter anderem um das System einfacher warten zu können.

Installation und Inbetriebnahme

Die Installation und Inbetriebnahme des Eiserkennungssystems nimmt ca. 1 Tag in Anspruch. Für eine ausreichende Kalibrierung werden ca. 2 Wochen eisfreie Zeit benötigt. Soll das System sofort in Betrieb gehen kann mit vorhandenen Kalibrierdaten einer Anlage gleichen Typs eine ausreichende Präzision erreicht werden. Es empfiehlt sich jedoch jedes Eiserkennungssystem einzeln zu kalibrieren, da das Verhalten jeder Windkraftanlage leicht variiert, selbst wenn es sich um den gleichen Typ handelt. Die Kalibrierung arbeitet automatisch und erneuert sich jedes Jahr in den Sommermonaten, um geändertes Verhalten zu berücksichtigen.

Verfügbarkeit

Das Eiserkennungssystem arbeitet einwandfrei unter allen Bedingungen über einer Windgeschwindigkeit von ca. 3 m/s, selbst bei abgeschalteter Anlage. Ab dieser Windgeschwindigkeit werden die Rotorblätter ausreichend zum Schwingen angeregt, so dass auch bei trudelnder oder stehender Anlage Eis erkannt werden kann.

Vorteile eines Rotorblatteiserkennungssystems

Durch die Installation der Sensoren im Rotorblatt wird direkt und unmittelbar am Ort des Geschehens gemessen. Während gondelbasierte Systeme lediglich prüfen können ob auf der Gondel bei anderen Strömungsverhältnissen und auf einer anderen Höhe über Grund Vereisungsbedingungen herrschen, messen Sensoren im Rotorblatt direkt und ohne negativ beeinflussende Faktoren, wie z.B. die Abwärme des Maschinenhauses.

Damit können Anfang und Ende eines kritischen Vereisungsereignisses genau bestimmt werden und müssen nicht aus dem Ergebnis von anderen Sensoren abgeleitet werden. Stillstandzeiten werden mit Hilfe dieser präzisen Abschaltung und der Detektion der Eisfreiheit verkürzt. Des Weiteren kann die visuelle Kontrolle der Eisfreiheit vor Ort durch geänderte Betriebsgenehmigung entfallen und ein automatisches Weideranfahren der Anlage realisiert werden.

Spezifische Vorteile des fos4X Rotorblatteiserkennungssystems

Die von fos4X verbauten faseroptischen Sensoren arbeiten rein mit Lichtsignalen und sind damit passiv. Ein Lichtimpuls wird von der Nabe aus über ein Glasfaserkabel zum Sensor gesendet und dort reflektiert. Es werden keine elektrischen Kabel verlegt. Dadurch können die Sensoren in der Nähe der Rotorblattspitze verbaut werden und arbeiten aufgrund der großen Auslenkung der Rotorblattspitze sehr genau.

Gegenüber elektrischen Dehnmessstreifen überzeugen Sensoren basierend auf Glasfasertechnik durch eine wesentlich längere Lebensdauer. fos4X wies in mehreren beschleunigten Alterungstests eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren nach.

Die für das Eiserkennungssystem verwendete Messtechnik bildet die Basis für ein zukünftiges Rotorblattüberwachungssystem.

fos4Blade IceDetection kann mit allen gängigen Rotorblattheizungen kombiniert werden, optimiert so deren Einsatzzeiten und liefert verlässliche Informationen über den Enteisungserfolg.

Wartung

Das fos4Blade IceDetection System benötigt nur minimalen Wartungsaufwand. Alle fos4X-eigenen Komponenten benötigen keine Wartung, lediglich die verbaute Heiz-/Kühleinheit muss regelmäßig ausgetauscht werden.

Amortisation

In einem umfangreichen Feldtest konnte ein Mehrertrag von 120 MWh an einer 3 MW-Anlage innerhalb eines Winters nachgewiesen werden. Es wurde das fos4X-System mit dem Seriensystem eines Herstellers verglichen.

Zulassung/GenehmigungDNV GL certification for fiber optic wind turbine rotor blade ice detection system fos4IceDetection

Eine Zertifizierung durch den DNV GL wurde im September 2014 durchgeführt. Weiterhin liegt ein Gutachten vor, das fos4Blade IceDetecion als „aktuellen Stand der Technik“ bezeichnet und es damit auch für die anspruchsvollsten Behördenauflagen genehmigungsfähig macht.

Weitere Informationen

Detaillierte technische Daten

  • Schnittstellen: IEC 61400-25, CAN, Modbus TCP, Analog, Digital, weitere auf Anfrage
  • Abmaße Schaltschrank: 48 x 35 x 21 cm
  • Energieverbrauch: < 150 W
  • Lieferzeit: 6 – 8 Wochen

Weitere technische Daten entnehmen Sie bitte unserem Datenblatt.

 

Uschi Dreiucker / pixelio.de

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