Die Erkennung von Eisbildung an Flächen (auch Oberflächen) wie z.B. an den Rotorblättern von Windenergieanlagen kann zur Einhaltung sicherer Betriebsbedingungen wesentlich beitragen. Im Bereich von Windenergieanlagen verursacht ein Eisbelag einen geringeren Energieertrag und höhere mechanische

Beanspruchung der Anlage und birgt gleichzeitig die Gefahr des Eisabwurfs (eine Gefahr sowohl für Menschen als auch für

Sachgüter) . Bereits dünne Schichten verursachen durch die turbulente Strömung an der Oberfläche bedingt durch größere Rauigkeit relevante Ertragseinbußen. Dickere Schichten können durch verstärkte Vibrationen und Unwucht zu Schäden an der Maschine und bei Abwurf zu Schäden führen. Man ist nun als Betreiber von Windkraftanlagen an gefährdeten Standorten interessiert, den Grad der Vereisung der Rotorblätter so gut wie möglich zu kennen, um die Windkraftanlage rechtzeitig abzuschalten, bevor Schäden auftreten oder aber eine evtl. vorhandene elektrische Heizung der Rotorblätter gezielt zu aktivieren .

Eisbildung ist aber auch in anderen Bereichen wie

beispielsweise an Straßen, Flugzeugtragflächen oder Antennen ein relevantes Phänomen, dessen frühe Erkennung und

Beseitigung durch geeignete Maßnahmen einen störungsfreien Betrieb erleichtert. Stand der Technik

[0001] Gegenwärtige kommerzielle Systeme zur Detektion von Vereisung sind typischerweise komplexe Messgeräte und im

Umfeld von Windenergieanlagen aufgrund ihrer Baugröße fix montiert und benötigen durch ihren Aufbau typischerweise einen Stromanschluss (z.B. optische und ultraschallbasierte

Systeme) . Es ist in Fachkreisen bekannt, dass sich das

Aneisungsverhalten z.B. bei Windenergieanlagen am Standort der Gondel und an den Rotorblättern wesentlich unterscheiden kann

(z.B. durch die aus der Rotation resultierende höhere

Windgeschwindigkeit) . Daher wurden weiters Systeme entwickelt, die das Aneisungsverhalten der Rotorblätter untersuchen, z.B. durch Überwachung des Zustandes des Rotorblattes mittels

Eigenfrequenzanalyse. Dieses System birgt den Nachteil, dass nicht ausschließlich Eisbelag zur Änderung der Eigenfrequenzen führen kann. Weiters liegt die Detektionsschwelle

verhältnismäßig hoch (ca. 4% Gewichtsänderung) und es ist keine Lokalisation der Eisschicht möglich. Weiters ist ein System bekannt, das ein optisches Eisdetektionsprinzip

verwendet, indem optische Fasern von innen her an die

Oberfläche des Rotorblattes geführt werden (DE 102005017716 AI) . Dies bedingt den Einbau eines komplexen Messgerätes in das Rotorblatt und damit hohen Installationsaufwand, weiters Verletzungen der Oberfläche und es erlaubt die Messung nur an einigen wenigen Punkten pro Rotorblatt.

[0002] Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeit oder

Luftfeuchtigkeit durch Absorption an einen porösen Träger und Auswertung einer komplexen Impedanz werden zum Beispiel in FR 2750494 AI und US5177662 beschrieben. Diese Verfahren sind jedoch prinzipbedingt nicht in der Lage, das Vorhandensein von Eis bzw. eine Schichtdicke zu detektieren, da das auf

Absorption basierende Verfahren bedingt, dass Feuchtigkeit ins Innere des Sensors eindringen kann. [0003] Demgegenüber sind Verfahren zur Eisdetektion bekannt, die auf der Messung der elektrischen Kapazität oder Impedanz basieren (z.B. US 5398547) . Diese Verfahren eignen sich besonders für einen planaren Aufbau mit geringer Bauhöhe.

[0004] DE 10205017716 verwendet das drahtlose Senden von

Signalen über eine Übertragungsstrecke zu einem Empfänger als Messprinzip zur Erfassung von Ablagerungen als Hindernisse in einem optischen Übertragungsweg als Methode zur Eisdetektion an der Oberfläche eines Rotorblatts.

Aufgabe der Erfindung

[0005] Die Aufgabe stellt sich wie folgt dar: eine Vorrichtung zum Erfassen kritischer Oberflächenzustände, wobei die

besonders gefährdeten Flächen typischerweise nicht eben (plan) sind (z.B. bei Flugzeugen, Rotorblättern,

Hochspannungsisolatoren oder Antennen) . Die Flächenform bzw. deren Beschaffenheit darf durch den Sensor nicht bzw. nicht maßgeblich verändert werden, um beispielsweise das Verhalten hinsichtlich einer Aneisung nicht oder nur minimal zu

verändern. Die Aerodynamik darf durch die Vorrichtung nicht oder nur wenig beeinflusst werden. Als Eis im Sinne der

Erfindung sind alle Arten von gefrorenem Wasser auch in

Mischung mit flüssigem Wasser zu verstehen. Gegebenenfalls können auch eine Klassifizierung der Eisart oder die Erkennung von Situationen, in denen sicher kein Eis an der Oberfläche vorhanden ist, von Interesse sein. Im Sinne der Erfindung umfasst Wasser auch Mischungen aus Wasser und Verunreinigungen der Oberfläche.

[0006] Als kritische Oberflächenzustände im Sinne der

Erfindung sind insbesondere folgende Szenarien zu verstehen: Wasser und/oder Eis und/oder Mischungen davon an Oberflächen

(z.B. Rotorblättern) von Windkraftanlagen, Eis und/oder Wasser und/oder Verunreinigungen an Hochspannungsisolatoren. Dabei ist ein Ziel der Erfindung, sich in Entstehung befindliche kritische Zustände zu erfassen, sodass Gegenmaßnahmen in einem Zeitfenster ergriffen werden können, in dem diese kritischen Zustände noch beherrschbar sind.

[0007] Die gegenständliche Erfindung löst die Aufgabe unter anderem dadurch, dass die Vorrichtung, die eine Einrichtung zur Detektion von Eis und/oder Wasser, zur Energieversorgung und zur Datenübertragung beinhaltet, wenigstens teilweise mechanisch flexibel ausgeführt ist, sodass eine Anpassung an nicht ebene Flächen möglich ist. Die Vorrichtung kann

hermetisch abgedichtet sein, d.h. kein Wasser bzw.

Luftfeuchtigkeit kann ins Innere des Sensors eindringen;

insbesondere die Grenzfläche zur Umgebung ist keinesfalls porös. Durch die Integration in eine Einheit und die

geometrische Form (unter anderem durch die geringen Bauhöhe im Verhältnis zur Länge und Breite) sind eine erstmalige aber auch eine nachträgliche Anbringung der Vorrichtung an einer zu erfassenden Fläche auf einfache Art und Weise und ohne große Veränderungen an der Fläche möglich. Die erfassten und

ausgewerteten Daten können drahtlos oder drahtgebunden an eine weitere Vorrichtung oder an eine Basisstation übertragen werden, wobei sich diese nicht zwingend im Rotorblatt befinden müssen sowie mit Sender und Empfänger keine mechanische

Einheit bilden.

[0008] Weitere Details zu Aus führungs formen und Vorteile der gegenständlichen Erfindung sind im Weiteren ausgeführt.

[0009] Die Anbringung an nicht ebenen Oberflächen bedingt eine flexible Ausführung vor allem großflächiger Bauelemente, insbesondere eine wenigstens teilweise flexible Trägerplatte, die beispielsweise aus zwei flexiblen Leiterplatten, die gleichzeitig die Außenhaut darstellen können, mit dazwischen liegendem Füllstoff (beispielsweise Polymerverguss ) ausgeführt ist, wodurch eine mechanische Verbindung aller Komponenten gewährleistet ist.

[0010] Weiters erforderlich sind eine geringe Stärke der einzelnen Komponenten und kleine Abmessungen starrer

Bauelemente. Die Gesamtdicke liegt im niedrigen einstelligen Millimeterbereich; Dicken von unter 5 mm sind vorteilhaft und erlauben ein Verhältnis zwischen der größeren Seitenlänge und der Dicke der Vorrichtung größer als 10.

[0011] Der Sensor zur Eisdetektion und/oder Eisdickenmessung und/oder Eisklassifizierung kann beispielsweise als

kapazitiver Sensor ausgeführt sein. Ein kapazitiver Sensor zur Eisdetektion und/oder Eisdickenmessung besteht aus mehreren Elektroden aus leitfähigen Strukturen, die beispielsweise auf einem flexiblen, nicht porösen, idealerweise hermetisch abdichtenden Trägermaterial, (d.h. geringe

Wasseraufnahme/geringe Wasserdurchlässigkeit des

Trägermaterials) aufgebracht sein können, und einer

Auswerteeinheit, die Kapazitäten zwischen weitgehend planar angeordneten Elektroden misst und daraus einen Wert zur

Detektion und/oder Dicke zurückliefert. Das Material der

Grenzfläche zwischen Sensor und Außenwelt soll ebenfalls weitgehend hermetisch abdichten, das heißt, dass das Material nahezu keine Durchlässigkeit oder Aufnahmefähigkeit für Wasser bzw. Wasserdampf aufweist.

[0012] Andere, in der Vorrichtung enthaltene Sensoren können beispielsweise Helligkeit, Schwingungen, Temperatur und/oder elektrische Ströme messen. Dabei sind vor allem Kriechströme

(Gleich- und Wechselströme) entlang isolierender Oberflächen wie beispielsweise Hochspannungsisolatoren, auf denen die Vorrichtung angebracht werden kann, von Interesse.

[0013] Die Montage der Vorrichtung kann durch Klebung auf eine zu beobachtende Oberfläche (mit oder ohne Aufbringung von weiteren Schutzschichten über der Vorrichtung) oder durch Einbettung z.B. in äußere Schichten eines Rotorblatts während des Herstellungsprozesses erfolgen. Dadurch sind keine

mechanischen Eingriffe (Bohrlöcher, Schlitze, Ausnehmungen) in die zu beobachtende Oberfläche notwendig.

[0014] Bei der Klebung können beispielsweise selbstklebende Folien (oberhalb oder unterhalb der Vorrichtung) , Sprühkleber, flüssige Klebstoffe sein. In einer bevorzugten Aus führungs form wird ein Klebstoff bereits im Herstellungsprozess auf der Vorrichtung appliziert und mit einer Schutzfolie bis zur

Montage abgedeckt, sodass bei einer Montage nur die

Schutzfolie abgezogen werden muss und die Vorrichtung an der zu beobachtenden Oberfläche unmittelbar angebracht werden kann .

[0015] Eine typische Oberflächenbehandlung kann (sofern elektrisch nicht oder nur gering leitfähig) auch oberhalb der Vorrichtung appliziert werden, sodass die ursprüngliche

Oberflächenbeschaffenheit gewährleistet bleibt.

[0016] Die für den Betrieb notwendige elektrische Energie kann aus der Umgebung gewonnen werden: es sind dies zum Beispiel flexible Solarzellen auf Basis von GaAs oder amorphem

Silizium. Weiters kann eine Energiegewinnung aus Wärme

( thermoelektrischer Generator) oder aus Vibrationen der

Oberfläche eingesetzt werden. Es sind dies ebenfalls

Technologien, die mit geringer Bauhöhe und/oder weitgehend flexibel realisiert werden können.

[0017] Die für den Betrieb notwendige elektrische Energie wird in einem Energiespeicher zwischengespeichert. Diese

typischerweise wieder aufladbaren Energiespeicher können auch in flexibler Ausführung realisiert werden. Es können dies beispielsweise Akkumulatoren oder Kondensatoren (auch Supercaps etc . ) sein . Weiters kann auch eine ( flexible )

Primärzelle (Batterie ) verwendet werden.

[0018] Die Datenübertragung der erfassten Messdaten kann vorteilhaft drahtlos (d.h. z.B. über optische

Übertragungsstrecken oder per Funk) erfolgen, um neben einer Verbindung zur Stromversorgung auch Verbindungen für die

Datenübertragung obsolet zu machen; somit sind keine

Verkabelungen notwendig. In diesem Falle kann die Vorrichtung vollständig hermetisch abgedichtet werden, d.h. kein Stoff

(z.B. Wasser oder Luftfeuchtigkeit) kann in das Innere der Vorrichtung eindringen. Dies erhöht die Robustheit des

Systems .

[0019] Mehrere solcher Vorrichtungen können optional

untereinander kommunizieren, um einerseits die von der

Datenübertragung per Funk zu überbrückende Strecke (und damit den Energiebedarf) zu limitieren, und andererseits die

Ausfallssicherheit und die statistische Qualität der Messdaten zu erhöhen.

[0020] Eine mögliche Anwendung solcher Vorrichtungen ist die Eisdetektion und/oder die Eisdickenmessung an der Oberfläche von Rotorblättern von Windenergieanlagen. Hier kann die

Vorrichtung weiters dazu benutzt werden, Einrichtungen zur Abtauung der Oberflächen von Rotorblättern (z.B.

Warmluftgebläse, Flächenheizer) zu steuern. Das geringe

Gewicht, die geringe Bauhöhe und die Langlebigkeit der

Vorrichtung sind hierbei von besonderem Nutzen. Dabei kann die Vorrichtung beispielsweise in eine Flächenheizung integriert und gemeinsam aufgebracht werden, wodurch die Vorrichtung mit der Einrichtung zur Abtauung eine mechanische Einheit bilden kann. Hier besteht die Möglichkeit, den Wärmestrom aus der Heizung in die Umgebung zur thermoelektrischen

Energiegewinnung zu nutzen. Weiters besteht die Möglichkeit, leitfähige Teile der Heizung als Elektroden für Eisdetektion oder Eisdickenmessung (kapazitive Eissensorik) zu verwenden, wodurch die Vorrichtung auch elektrisch eine Einheit mit der Einrichtung zur Abtauung bilden kann. Unter bestimmten

Umständen kann die Vorrichtung auch an der Innenseite des Rotorblattes angebracht werden.

[0021] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Detektion und Dickenmessung von Eis und Wasser auf Oberflächen und zeichnet sich dadurch aus, dass die Baugruppen für

Energiegewinnung aus der Umwelt, Energiespeicherung,

Datenverarbeitung und drahtlose Datenübertragung bereits in der Vorrichtung enthalten sind, wobei die gesamte Vorrichtung dünn und flexibel ausgeführt ist. Somit lässt sich die

Vorrichtung ohne größere mechanische Eingriffe in das mit der Vorrichtung auszustattende Objekt, auch nachträglich,

anbringen. Die einzelnen Vorrichtungen können optional nicht nur mit einer Basisstation, sondern auch untereinander

kommunizieren, arbeiten aber unabhängig voneinander.

[0022] Die vorliegende Erfindung stellt sich wie folgt dar: eine Vorrichtung zur Detektion kritischer Oberflächenzustände

(z.B. Quantifizierung von Eis und Wasser an Oberflächen), wobei alle Baugruppen für Energieversorgung und

Datenverarbeitung sowie Datenübertragung in der Vorrichtung enthalten sind sowie die gesamte Vorrichtung dünn (Bauhöhe unter 5 mm bzw. Verhältnis zwischen der größeren Seitenlänge und der Dicke >10) und wenigstens teilweise flexibel (biegsam) ausgeführt ist. Durch die geringe Bauhöhe werden Veränderungen der Aerodynamik minimiert und somit auch Änderungen im

Aneisungsverhalten durch die Vorrichtung vermieden.

Aufzählung der Zeichnungen

[0023] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Zeichnungen näher erläutert, wobei [0024] Fig. 1 ein beispielhaftes Blockschaltbild der Vorrichtung darstellt,

[0025] Fig. 2 eine beispielhafte Aus führungs form der

Vorrichtung im Profil zeigt,

[0026] Fig. 3 eine Draufsicht auf eine beispielhafte

Aus führungs form der Vorrichtung zeigt und

[0027] Fig. 4 beispielhaft ein Rotorblatt mit möglichen

Montageorten für die Vorrichtung zeigt.

[0028] Fig. 5 beispielhaft die Montage der Vorrichtung auf einem elektrischen Isolator zeigt.

Ausführliche Beschreibung unter Verwendung der Bezugszeichen in der Zeichnung

[0029] Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Vorrichtung 100 neben einem Sensor zur Eisdetektion und/oder Eisdickenmessung und/oder Eisklassifizierung 4 ein System zur Energiegewinnung aus der Umgebung 1 (z.B. aus Sonnenstrahlung, Wärme,

Vibrationen oder Kriechströmen,

elektrisches/magnetisches/elektromagnetisches Feld) enthalten. Diese Energiequellen stehen typischerweise nicht

kontinuierlich zur Verfügung, weshalb die Energie in einem Energiespeicher 3 zwischengespeichert werden kann. Beide

Baugruppen werden optional flexibel und dünn ausgeführt. Die Regelung wird von einem Energiemanagementsystem 2 ausgeführt.

[0030] Eine Steuereinheit 5 (beispielsweise ein

Mikroprozessor) wird von Energiespeicher 3 oder dem System zur Energiegewinnung aus der Umgebung 1 mit elektrischer Energie versorgt und erfasst Messdaten des Sensors zur Eisdetektion und/oder Eisdickenmessung und/oder Eisklassifizierung 4. Diese Daten können mit weiteren Messdaten aus weiteren Sensoren 6 (z.B. Temperatur, Strom) verarbeitet werden und werden über eine Einrichtung zur Datenübertragung 7 z.B. drahtlos über eine Funkstrecke 8 an eine weitere Vorrichtung 100' oder eine Basisstation 9 weitergeleitet. Je nach Standort und

Umgebungsbedingungen können unterschiedliche Einrichtungen zur Energiegewinnung und -speicherung (auch mehrere Systeme in einer Vorrichtung 100) vorgesehen werden.

[0031] Fig. 2 und 3 zeigen den beispielhaften schematischen Aufbau der Vorrichtung: eine starre oder flexible Solarzelle 10 liegt an oder unter einer zu beobachtenden Fläche und wird durch eine zumindest teilweise lichtdurchlässige Schutzschicht von der Umgebung getrennt. Eine flexible Batterie 11 befindet sich innerhalb der Vorrichtung 100, die von einer Außenhaut 12

(beispielsweise eine flexible Leiterplatte) umgeben ist. Der gesamte Innenraum wird mit einem (ggf. verstärkten) Füllstoff 14 (z.B. einem Polymer), gefüllt. Die Außenhaut 12, die beispielsweise als flexible Leiterplatte ausgeführt sein kann, bildet mit dem Füllstoff 14 eine mechanische Einheit mit der Funktion der flexiblen Trägerplatte 21. Ebenfalls innerhalb der Vorrichtung 100 liegen weitere Einrichtungen z.B

elektronische Komponenten und integrierte Bausteine 13 für Datenverarbeitung, Messung und Datenübertragung. Die

Elektroden für eine Eisdetektion oder Eisdickenmessung 15 befinden sich unter der zu beobachtenden Fläche der

Vorrichtung 100. Die Funkantenne 16 ist ebenfalls in der

Vorrichtung 100 integriert und kann ebenfalls unter der zu beobachtenden Oberfläche 0 liegen.

[0032] Durch die beschriebenen Merkmale kann die Vorrichtung 100 gegebenenfalls hermetisch abgedichtet (vollständig

elektrisch isoliert) werden, wodurch eine besonders lange uneingeschränkte Betriebsdauer realisiert werden kann. Weiters ist die gesamte Vorrichtung 100 dünn (Bauhöhe unter 5 mm bzw. Verhältnis zwischen größter Seitenlänge und Dicke größer als 10) und flexibel (biegsam) ausgeführt. Die flexible Ausführung großflächiger, dünner Bauelemente bei gleichzeitiger Verwendung eines flexiblen Trägermaterials, die Anordnung der Komponenten zueinander und kleine Abmessungen von starren Komponenten tragen wesentlich zur Flexibilität der Vorrichtung 100 bei.

[0033] Fig. 4 zeigt drei von vielen möglichen

Montagepositionen der Vorrichtung 100 auf einem Rotorblatt 20 einer Windenergieanlage: Vorrichtung 100 und Vorrichtung 100' an der Vorderkante des Rotorblattes 20 sind deutlich

relevanter positioniert als Vorrichtung 100' ' , da

erfahrungsgemäß Aneisungen an der Vorderkante beginnen und je nach Hersteller auch nur dieser Bereich mit einer Einrichtung zur Abtauung 22 ausgerüstet wird. Typischerweise ist gerade an diesen Positionen die Krümmung der Oberfläche 0 des

Rotorblattes 20 besonders stark ausgeprägt, was eine zumindest teilweise flexible Vorrichtung 100 zur Messung notwendig macht. Gleichzeitig sind gerade an der Vorderkante Eingriffe in die Aerodynamik kritisch. Daher ist eine Befestigungsart mit möglichst geringem Bauhöhenbedarf (Klebung oder

Integration durch Laminierung) und eine geringe Bauhöhe der Vorrichtung 100 notwendig. Schutzschichten über der

Vorrichtung 100 sind - sofern nichtleitend und gegebenenfalls transparent- unproblematisch. Außerdem kann durch Verwendung ähnlicher Materialien und vergleichbare Bauhöhe die

Vorrichtung 100 z.B. in eine Flächenheizung derart integriert werden, dass eine gemeinsame Montage bzw. die gemeinsame

Nutzung leitfähiger Strukturen möglich ist.

[0034] Die erfassten Messdaten werden z.B. per Funk in einem Sensornetz an eine weitere Vorrichtung 100' oder Vorrichtung 100' ' zur Weiterübermittlung weitergereicht oder werden direkt an eine Basisstation 9 zur Auswertung und/oder zur Steuerung einer Einrichtung zur Abtauung 22 übertragen. Dabei kann die Ausführung als Sensornetz vorteilhaft sein, um die von der Funkübertragung zu überbrückende Strecke (und damit den

Energiebedarf) zu reduzieren; andererseits sind mehrere

Messpunkte sinnvoll, um die Redundanz des Systems zu

gewährleisten und die hohe Qualität der erfassten Werte zu gewährleisten .

[0035] Fig. 5 zeigt eine von vielen möglichen

Montagepositionen der Vorrichtung 100: Die Anbringung der Vorrichtung 100' ' ' an der Oberfläche 0 eines Isolators 23 von Hochspannungsübertragungseinrichtungen (z.B. Freileitungsmast, Transformatordurchführung) erlaubt bei geeigneter

Aus führungs form (z.B. ringförmig, Anbringung an

Montageposition 24) die Messung von unerwünschten

Kriechströmen entlang solcher Oberflächen mittels

kontaktierender oder kontaktloser Verfahren zur Strommessung

(z.B. Rogowski-Spule, Fluxgate-Sensor, Shunt-Widerstand) .