NO803721L - Anordning til bestemmelse av vindenergien for regulering av vindkraftverk. - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår en anordning for bestemmelse. av vindretningen i rotorplanet for vindkraftverk, hvis rotorer er utstyrt med smale, aerodynamisk formede rotorblad.De ved hjelp av trykkmålesonder konstaterte måleverdier le-verer dels for innstilling av rotorbladene og dels for vindkraftverk med horisontal rotordreieakse for innstilling av rotoren i vinden de nødvendige reguleringsstørrelsene for styring av de elementer som påvirker selve innstillingen. Trykkmålesondene (10) er derved anbragt på rotorbladenes (4) overside i selve nærheten av profilnesen, hensiktsmessig i en avstand på ca. 0,7 ganger bladets lengde fra aksen (3) sett utover. Ved hvert blad er således anordnet to trykkmålesonder (10) som er anordnet på begge sider av rotorens (4) midtre plan. Ut fra den trykkdifferanse som måles av disse to sonder, kan sammen med rotorens øvrige innstillingsdata avledes dennskede måleverdi.

Description

Oppfinnelsen angår en anordning til bestemmelse av vindenergien i rotorplanet for vindkraftverk, hvis rotorer er utstyrt med smale, aerodynamisk utformede rotorblad, for regulering ved hjelp av en med sonder målt trykkdifferanse.

Rotorbladene på vindkraftanlegg omdanner den i vinden inneholdte energi til anvendelig akselkraft og frembringer derved reaksjonskrefter som må tas opp av anleggets konstruksjon. Denne omvandling er desto mer fordelaktig og reaksjonskreftene desto mindre jo bedre anlegget kan reguleres. Derved kan følgende komponenter påvirkes:

bladinnstillingsvinkelen, rotoromdreiningstallet,

den uttatte effekt og ved horisontal aksel rotoromdreinings-planets stilling i forhold til luftstrømmen.

Alle reguleringsprosesser går ut fra den herskende vindhastighet og vindretning i rotorplanet. For en bra regulering er derfor størst mulig'kjennskap til vindhastigheten og vindretningen ved rotorbladene påkrevet. Ved de hittil vanlige målemetoder for bestemmelse av disse verdier, finnes store avvikelser fra de virkelige verdier fordi de konstateres ved hjelp av sonder som enten anbringes i størst mulig nærhet av rotoren, eller i en viss avstand fra den på en spesiell målemast. I det første tilfelle oppsto målefeil ved rotorens tilbakevirkning på luftstrømningsfeltet, i det ide-elle tilfelle minsker rotoren vindhastigheten i sitt plan til ca. 1/3 og påvirker derved ikke uvesentlig strømningsfeltet i sin umiddelbare nærhet. I det annet tilfelle oppstår feil ved ulikedannetheten i luftstrømmen, hvilket også kalles byger og frembringes hovedsakelig ved luftens markfriksjon og ved termiske innvirkninger. Bygene er ofte så lokalt skarpt avgrenset at en ved en i selve nærheten foreliggende mast målt vindhastighet kan avvike kraftig fra den i rotorplanet virksomme og følgelig opptrer feil i reguleringen. Alle hittil kjente metoder for vindmåling er derfor uegnet for vindkraftverk fordi de leder til feil ved reguleringen, hvorved tap ved utnyttelse av den frembudte vindenergi og overbelast-ninger i vindkraftanleggets konstruksjon opptrer.

Det er derfor en oppgave for oppfinnelsen å skaffe

en måleanordning som er særlig egnet for vindkraftverk og hvorved de ovennevnte feil unngås.

Denne oppgave løses ved hjelp av en anordning av den til å begynne med nevnte art som utmerker seg ved at sonder er anordnet for bestemmelse av trykkdifferansen på rotorbladets overside i nærheten av profilnesen.

Altså er trykksonder anordnet på rotorbladenes overside i nærheten av profilnesen. Som komplettering kan en trykksone for bestemmelse av totaltrykket anbringes foran rotorbladets profilnese. Anbringelsesstedet for trykksondene på rotorbladet skal være på et for rotorens kapasitetsbestem-melse typisk rotorbladsnitt.

For nøyaktigere målinger kan måling skje ved flere bladsnitt. Et i spennvidderetningen oppdelt blad kan da også seksjonsvis reguleres nøyaktigere med en slik raffinert måling .

Vindkraftanlegg med en anordning ifølge oppfinnelsen kan fremstilles billigere enn de hittil vanlige, som behøver en spesiell målemast. Anordningen er anvendelig for alle vindkraftverk som er utstyrt med aerodynamisk utformete smale rotorblad. Den forbedrer rotorens reguleringsmuligheter for bladinnstillingen og for rotorens innretning etter vinden.

Ytterligere detaljer, særtrekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av patentkravene såvel som av den følg-ende beskrivelse og tegningene, hvor oppfinnelsen skal for-klares og vises skjematisk. På tegningene viser fig. 1 en del av et vindkraftanlegg med en horisontalakserotor, fig.2 et rotorblad på anlegget ifølge fig. 1, fig. 3 et snitt av et rotorblads (f.eks. fig. 2) profilnese med trykksonder ifølge oppfinnelsen, fig. 4 et vindkraftanlegg med horisontalakserotor med en anordning ifølge oppfinnelsen, fig. 5 en vertikalakserotor sett ovenfra og fig. 6 et ytterligere tverrsnitt av et rotorblad (f.eks. fig. 2).

På fig. 1 er vist en del av et vindkraftanlegg med

en bæremast 1 og en horisontalakserotor 2, hvis akse betegnes med 3 og hvis innstillbare, smale, aerodynamisk utformede vingeblad med 4.

Rotoren 2 er montert på en lagerkrans 5 på masten på en slik måte at rotoraksen 3, f.eks. ved hjelp av en på akselen festet vindføy 6 kan svinges om vertikalaksen i vindretningen. I rotorens 2 nav er en regulator 7 og en av den påvirkbar omstillingsanordning 8 for dreining av vingebladene 4 om deres lengdeakse anbragt. Strømtilførsels-sleperinger ved rotorakselen for regulatoren og omstillings-anordningen er betegnet med 9.

På fig. 2 og særlig på fig. 3 er vist anbringelsen

av trykksonder 10 ifølge oppfinnelsen. Sondene 10 er anbragt i nærheten av profilnesen 11 på begge sider av det midtre plan 12, hensiktsmessig i en avstand fra rotoraksen 3 på 0,7 ganger bladets lengde, på vingebladenes 4 overside.

På fig. 2 og 4 er vist sondenes 10 anbringelse, hvilke under vindkraftverkets drift beskriver en såkalt målesirkel, ved piler. Ut fra den trykkdifferanse som bestemmes med sondene 10, kan man beregne motblåsningsvinkelen °< (fig. 6). Hvis vingebladets innstillingsvinkel /3 (fig. 6), trykkdifferansen på målestedene og rotorens omdreiningshastighet er kjent, kan man ut fra måleverdiene beregne den lokalt på vingebladet herskende vindhastighet.

Et eksempel på overføringsveien for den av sondene opptatte trykkverdi til reguleringsanlegget er vist på fig. 3. I dette tilfelle betegnes en strømforsyning med 13, en kodingsanordning med 14 og en måleoverføring fra rotoren R til statoren S med 15.

Ved en flerbladet rotor med felles bladomstilling må måleverdiene fra samtlige vingeblad konstateres før regulatoren kan konstatere den best egnede bladinnstillingsvinkel og stiller deretter inn vingebladene ved hjelp av omstillings-anordningen.

Ved en rotor med enbladsinnstilling kan regulatoren ved hjelp av den separat målte verdi for hvert vingeblad bestemme den best egnede innstillingsvinkel.

Med en anordning ifølge oppfinnelsen kan vindenergien i rotorplanet konstateres betydelig mer nøyaktig enn med de vanlige metoder, såsom f.eks. målemast eller anemometer på den forlengede rotoraksel. Et skålkorsanemometer 16 (fig. 4) tjener bare til styring av anlegget utenfor det egentlige'arbeidsområde. Da et an@mometer angir lavere vindhastigheter nøyaktigere enn trykksondene, kobles reguleringsanordningen ved vindstille eller stillestående rotor mest hensiktsmessig over til et anemometer. Først når driftsturtallet oppnås, foregår en omkobling til vindmålingen ved vingebladene med trykksondene. Utkoblingen av anlegget på grunn av storm kan skje ved en på forhånd bestemt verdi ved hjelp av målingene ved bladet. Ved vindkraftverk som er koblet ut på grunn av storm, er da igjen bare anemometeret i drift.

De verdier for anblåsningsvinkelen som er frembragt ved hjelp av trykkdifferansen, mates til en regnemaskin. Denne bestemmer ved hjelp av den kjente verdi på innstillingsvinkelen og omdreiningstallet den lokale vindhastighet. I

et ytterligere beregningstrinn fås av dette ved hjelp av verdiene for lufttrykk, temperatur og rotorsirkelflate den virksomme vindenergi.

Vindinnretningen i drift kan foruten med vinfløyen 6 hensiktsmessig også styres ved hjelp av en trykksondemåling på vingebladet. For dette tilfellet sammenligner reguleringsanlegget anblåsningsvinklene for et vingeblad i rotorstil-lingen 90° og 270° (fig. 2) med hverandre. Hvis de to vinkler er like, kreves ingen korrigering av vindinnretningen. Hvis de to vinkler er forskjellige må rotorbladet svinges

til de to vinkler er like.

Forskjellige anblåsningsvinkler kan allikevel oppstå ved enbladsinnstilling ved store lokale differanser i luft-strømningsfeltet. Det nettopp beskrevne vindinnretnings-

c

anlegg skulle på egnet måte reagere med en svingning av rotorplanet til rotorbelastningen mest mulig er utjevnet.

Registrerer nemlig måleanlegget forskjellige anblåsningsvinkler ved 90° og ved 270° (fig. 2) må bladene i stil-lingen o° og 180° stilles om slik at en svingning av rotorplanet om tårnaksen foregår for at differansen i anblåsnings-vinkel ved 90° og 270° igjen skal utjevnes. Ved vinder som tiltar i høyden, minskes dermed de store krefter i rotor-sirkelens øvre halvdel og krefteneøker i den nedre halvdel. Gjennom denne regulering kan imidlertid ikke bare forskjellige belastninger i stor utstrekning utjevnes, men det minsker også de bøyekrefter som belaster rotorakselen.

Gjennom disse forholdsregler kan i forekommende tilfelle også de krefter som utløser svingningsforløpet, holdes små. Totalt sett frembringes derved en slik minsking av kon-struksjonsbelastningen at denne kan bygges lettere og dermed billigere.

Mens rotorplanets vindinnretning i drift kan styres ved en anordning ifølge oppfinnelsen, er en vindinnretning gjennom en vindfløy fordelaktig bare ved start av rotoren.

En hurtig reagerende innstillingsmekanisme kan for dette tilfelle bygges meget lettere og enklere enn den vanlige fordi reaksjonskreftene er mindre og sikkerhetskravene er lavere.

Overfor forholdene ved de nettopp betraktede horison-talakserotorer (fig. 1, 2, 4) opptrer ved vertikalakserotorer (fig. 5) følgende ulikheter:

rotoren krever ingen vindinnretning,

rotorbladet 17 utsettes for sykliske anblåsnings-vinkelforandringer og hvert rotorblad griper tak i rotorens strømrør to ganger,

ved første gjennomgang (lovartsiden) er den opptatte luft ennå urørt,

ved den annen gjennomgang (lesiden) farer bladet gjennom en forsinket og opphvirvlet luftstrøm.

Den for horisontalakserotoren beskrevne målemetode for anblåsningsvinkelen (fig. 3 og 6) arbeider uten treg-

het og kan likeledes anvendes for vertikalakserotorer. Fra målingen av anblåsningsvinkelen under gjennomgangen på lovartsiden kan den herskende vindhastighet beregnes hvis sam-tidig rotorens dreiehastighet er kjent. Ved uregulert bladomstilling fås for kjente forhold vu/Vq anblåsningsvinkler som kan bestemmes nøyaktig for hver rotorstilling. Ut fra verdiene for rotoromdreiningstall og rotorstilling og anblås-ningsvinkel kan den lokalt herskende vindhastighet<p>g dermed energimengden i rotortverrsnittet umiddelbart beregnes. Ved rotorer med regulert bladomstilling kreves for denne måling dessuten også kjennskap til innstillingsvinkelen (fig. 6)

i forhold til nullinnstilling.

Ved den forsinkede og opphvirvlede luftstrøm på lesiden kan anblåsningsvinkelen ved rotorbladet ikke lenger bestemmes nøyaktig. Takket være kontinuerlige målinger av anblåsningsvinkelen på lovartsiden er allikevel en regulering mulig.

Claims (6)

1. Anordning til bestemmelse av vindenergien i rotorplanet for vindkraftverk, hvis rotorer er utstyrt med smale aerodynamisk formede rotorblad, for regulering ved hjelp av en med sonder målt trykkdifferanse, karakterisert ved at trykksondene (10) er anbragt på rotorbladenes (4) overside i nærheten av profilnesen (11).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at en trykksonde(10) er anordnet for bestemmelse av totaltrykket foran profilnesen (11).

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at trykksondene (10) er anbragt i en avstand på 0,7 ganger bladets lengde fra rotoraksen (3).

4. Anordning ifølge krav 1-3, karakterisert ved at et anemometer (16) er anordnet for bestemmelse av vindkraftverkets innkoblingsområde.

5. Anordning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at for vindinnretningen på et anlegg med horisontalakserotor er en vindfløy (6) anordnet på den mot lovart forlengede rotoraksel (3) i en avstand fra rotorplanet på 0,2 - 0,5 ganger bladets lengde.

6. Anordning ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at rotorens vindinnretning skjer ved hjelp av bladvinkelstyringen.