CZ302586B6

CZ302586B6 - Použití nanesené vrstvy dvousložkového polyuretanového laku na zarízení na vetrnou energii

Info

Publication number: CZ302586B6
Application number: CZ20060737A
Authority: CZ
Inventors: Wobben@Aloys
Original assignee: Wobben@Aloys
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2011-07-20
Also published as: KR20010093793A; AR023721A1; DE59911209D1

Abstract

Zejména pro zarízení na výrobu vetrné elektrické energie je navrhováno použití dvousložkového polyuretanového laku na rozpouštedlové bázi, zejména na povrchu cástí tohoto zarízení a to ke snížení hlucnosti a omezení vzniku námrazy. Lak vytvárí po zaschnutí a zareagování ulpívající povrchovou vrstvu (1) s teflonovite kluzkým vnejším povrchem. Lak se použije zejména na rotorovém listu (10), predevším na jeho nábežné hrane, jakož i na jiných cástech rotoru, povrchu veže (7), gondoly ci krytu (8), které jsou vystaveny náporu vetru, dopadání dešte, snehu ci krup.

Description

Použití nanesené vrstvy dvousložkového polyuretanového laku na zařízení na větrnou energii

Oblast techniky

Vynález se týká použití nanesené vrstvy dvousložkového polyuretanového laku na rozpouštědlové bázi na zařízení na větrnou energii, zejména na rotorovém listu tohoto zařízení, na jeho náběžné hraně, jakož i jiných částech zařízení na větrnou energii.

Dosavadní stav techniky

Rotorové listy pro zařízení na větrnou energii jsou známy v mnoha různých provedeních. Na těchto zařízeních představují rotory, popřípadě jejich rotorové listy, hlavní zdroj hluku. Z důvodu akceptovatelnosti a též z důvodu ochrany proti hluku je účelné usilovat o to, aby se emise hluku udržely tak nízké, jak jen to je možné, protože zařízení na větrnou energii jsou postavena často i v blízkosti obytných budov. Emise hluku, ke kterým dosud dochází provozováním zařízení na větrnou energii, popř. konvertoru větrné energie, vedou také k tomu, že zařízení na větrnou energii se stávají na základě své hlučnosti příčinou odporu okolních obyvatel, a proto se tato zařízení mohou vzhledem k tomu prosazovat jen obtížně nebo je nelze prosadit. Správní úřady pak odmítají z důvodu ochrany životního prostředí zařízení na větrnou energii povolovat, protože i hluk je faktorem zatěžujícím životní prostředí.

Existuje mnoho návrhů, jak rotorový list zařízení na větrnou energii konstrukčně změnit tak, aby bylo dosaženo snížení hladiny hluku. Např. jsou známa provedení podle spisů EP A- 0 652 367 nebo DE 196 14 420.5. Ta obsahují návod na určité snížení hladiny hluku pomocí různých konstrukčních opatření na rotorovém listu, což je však možné jen ve velmi omezené míře.

Je též znám spis EP 0 659 641, podle něhož se redukce hluku na povrchu, který přichází do styku s kapalinou, může provést pomocí pokrytí úseku tohoto povrchu potahem v podobě kožešiny nebo srsti, k čemuž se použijí jemná vlákna vytvářející takovýto pokryv. V tomto spise však není nikde odkaz na to, použít takovýto pokryv na rotorových listech zařízení na větrnou energii a navíc takovéto povrchy odpuzují kapaliny, konkrétně vodu, a naopak se částečky vody mohou mezi jemnými vlákny umělé kožešiny zachytit a činit při provozu větrného zařízení potíže, např. ještě více pak zvyšovat hladinu hluku. Proto tento spis nepřináší praktické řešení problému snížení hladiny hluku u rotorových listů zařízení na větrnou energii.

Podle spisu EP 0 652 367 je pak známo tlumení hluku u rotorů zařízení na větrnou energii tak, že se provedou protihluková opatření na dozadu směřující hraně rotorového listu, která se vytvoří pilovitě. Takovéto uspořádání však nepřináší žádné významné snížení hladiny hluku a je od řešení podle předloženého vynálezu zcela rozdílné.

Proto je cílem vynálezu emisi hluku zařízení na větrnou energii dále zlepšit.

Je rovněž cílem snížit erozi zařízení na větrnou energii vcelku i jednotlivých částech.

Podstata vynálezu

Uvedených cílů se dosáhne použitím nanesené vrstvy dvousložkového polyuretanového laku na rozpouštědlové bázi, uzpůsobeného k vytváření povrchové vrstvy na vnějším povrchu předmětů, vytvářejícího po zaschnutí a zreagování ulpívající povrchovou vrstvu s teflonovitě kluzkým vnějším povrchem na alespoň částech zařízení na výrobu větrné energie. A to zejména na rotorovém listu, především na jeho náběžné hraně, jakož i na jiných částech rotoru, povrchu věže, gondoly

-1 CZ 302586 B6 či krytu, vystavených náporu větru, dopadání deště, sněhu Či krup, k snížení hlučnosti a vzniku námrazy na vnějším povrchu zařízení na výrobu větrné energie.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále blíže popsán a vysvětlen na základě připojeného výkresu, který znázorňuje na obr. 1 pohled na zařízení na větrnou energii s rotorem, na obr. 2 výřez rotorového listu v řezu a na obr. 3 a obr. 4 detaily povrchu rotorového listu.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje pohled na zařízení na větrnou energii s rotorem, na kterém jsou upevněny tři rotorové listy 10. Na obr. 1 je znázorněno zařízení na větrnou energii typu E-40 od firmy Enercon.

Obr. 2 znázorňuje výřez rotorového listu 10 v řezu. Je na něm vidět, že se na jeho povrchu 6 nachází vrstva i odpuzující kapalinu, popř. je tam nanesen nátěr, který tvoří drápkové lůžko 2, sestávající z tzv. nano-drápků 3. Odstup A mezi nano-drápky 3 leží v rozsahu přibližně 2 až 250 pm a výška H nano-drápků 3 leží v rozsahu přibližně 2 až 250 pm. Nano-drápky 3 sestávají např. z hydrofobních polymerů nebo trvanlivě hydrofobovaných materiálů. Obzvláště dobrých výsledků snížení hluku, vydávaného rotorovým listem JO, se docílí tehdy, jestliže mají nanodrápky 3 výšku přibližně 5 až 60 pm a jejich odstup mezi nimi leží přibližně v rozsahu 5 až 110 pm.

Povlak rotorového listu JO s mikrosilikonovou barvou, kterou je např. barva zn. Lotusan, má za následek, že se voda, tedy H₂O, popř. jiné kapaliny, na povrchu rotorového listu j_0 neprichytí. Tím se také od počátku odstraní příčina k vytvoření násady ledu.

Výhodně není vrstva i na rotorovém listu 10 nanesena po celé ploše, nýbrž jen v poslední třetině směrem od rotoru, tedy od rotorového listu 10, a tam výhodně v oblasti špičky rotorového listu 10, popřípadě na jeho zadní a přední hraně.

Vytvořením nano—drápků 3 se dosáhne toho, že povrch 6 rotorového listu J_0 je velmi nerovnoměrný, resp. značně drsný, takže gravitace vodních kapek 4, popř. molekul, a povrchu rotorového listu 10 nestačí k tomu, aby se na něm molekuly vody přichytily. Nano-drápky 3 tedy udržují cizí molekuly vody zdánlivě v odstupu od povrchu 6 rotorového listu JO, čímž je přitažlivá síla mezi molekulami vody a povrchem značně snížena.

Současně mají nano-drápky 3 pro redukci hluku funkci jakéhosi rázového tlumiče hluku, protože víry, na obrázcích neznázoměné, které se přirozeně na povrchu 6 rotorového listu 10 vytvářejí a které podporují vydávání hluku, dopadají na nano-drápky 3, které ze své strany vlivem relativně velké pohyblivosti, ve srovnání ktuhé struktuře ze skelných vláken rotorového listu 10, mohou zachycovat energii vírů a tedy vzduchovým vírům energii odnímat, takže se hluk redukuje.

Vrstva 2 může být tvořena nátěrem nebo nalepenou fólií. Může být nanesena nikoliv jen na rotorovém listu 10 nebo jeho částech, nýbrž také na jiných dílech zařízení na větrnou energii, např. na věži 7 zařízení na větrnou energii a/nebo na krytu 8. Tento kryt 8, obvykle také nazývaný gondolou, se nachází u hlavy věže 7 a obklopuje rovnoměrně generátor zařízení na větrnou energii nebo další části zařízení na větrnou energii, které nemají být přímo vystaveny vlivu okolního prostředí. Vrstva 1 může být přitom umístěna nejen vně na věži 7, popř. rotorovém listu JO a/nebo krytu, nýbrž také z vnitřní strany. Přitom je výhodné, jestliže jsou z vnitřní a/nebo vnější

strany uspořádány odkapávací žlábky, na obrázcích neznázoměné, pomocí kterých se může kupříkladu voda, stékající po věži 7 a/nebo po krytu 8, zachycovat, hromadit a kontrolované odvádět. Takové žlábky probíhají výhodně v podstatě kolmo nebo s mírným sklonem k podélné ose věže 7 na její stěně a zachycená kapalina se odvádí navazujícím dešťovým svodem.

Snížení hladiny hluku může být alternativně nebo jako doplněk k výše popsanému řešení dosahováno také tím, že rotorový list JO má speciální povrch na způsob žraločí kůže. Tento povrch může být vytvořen pomocí fóliového povlaku. Taková fólie se prodává kupříkladu firmou 3M pod typovým označením 3M 8691 Drag Reduction Tápe (Riblet Tápe). Tato fólie byla vyvinuta na objednávku leteckého průmyslu s cílem dosáhnout pomocí tohoto speciálního povrchu úspory paliva u letadel.

Struktura takové „žraločí fólie” je např. známa ze zveřejnění díla Dittricha W. Becherta z oddělení výzkumu turbulence Německého centra pro letectví a astronautiku (DLR). Struktura „žraločí fólie“ či povlaku je mezi jiným také podrobně popsána ve spisech EP 0 846 617, DE-C-36 09 541 nebo DE-C-34 14 554.

Protože základní hladina hluku je u letadel v podstatě určena pohonnými jednotkami, leží aerodynamický hluk vyvolávaný na povrchu letadla, zejména na jeho nosných plochách, pod poslechovým prahem, a proto není nijak zvlášť vnímán.

Fólie s povrchem na principu žraločí kůže byla vyvinuta inženýrským týmem kolem pana Dr. Dietricha W. Becherta z oddělení výzkumu turbulence Německého centra pro letectví a astronautiku na Technické univerzitě v Berlíně. U takové „žraločí fólie“ má její povrch jemné drážky JJ. ve směru proudění. Ty nejsou vytvořeny všude, nýbrž jen na destičkách 12 v podobě šupin, které jsou ze své strany uspořádány vůči sobě přesazené, jak je to znázorněno na obr. 3. U znázorněného příkladu má šupina pět drážek 11, resp. je opatřena žebry, která mají různě velkou délku a svým podélným směrem jsou vyrovnána kolmo k poloměru r rotorového listu zařízení na větrnou energii, nebo rovnoběžně s ním. Výška H drážek 11, resp. žeber přitom Činí přibližně 30 až 70 % vzájemného odstupu s drážek JJ. a výhodně jsou tyto drážky JJ., popřípadě jimi vytvořená žebra klínovitá s úhlem zešikmení přibližně 5° až 60°.

Vrstva 1 má tedy povrchovou strukturu skládající se z vyvýšenin 3 a prohlubenin. Jak bylo uvedeno s výhodou leží odstup A mezi vyvýšeninami 3 v rozsahu 2 až 250 pm a výška H vyvýšenin 3 leží v rozsahu 2 až 250 μιη, přičemž vyvýšeniny 3 výhodně sestávají z hydrofobních polymerů nebo trvale hydrofobovanýeh materiálů, které nejsou přírodním deštěm uvolnitelně.

Obecně matematicky je možno stanovit, že normovaný boční odstup žeber povrchu se „žraločí fólií“ přitom má podle vzorce s = (s / ny) * a/(to / rho) hodnotu 12 až 22, přičemž sje boční odstup žeber, loje napětí stěny hladkého referenčního povrchu, kterýje vystaven stejnému proudění, rho je hustota proudícího média, zpravidla vzduchu, a ny kinematická viskozita proudícího média, zpravidla vzduchu. Přitom je s výhodou normovaný odstup sl žeber přizpůsoben obvodové rychlosti nebo úhlové rychlosti rotorového listu zařízení na větrnou energii ve jmenovitém provozu. Výhodně je přitom přizpůsoben obvodové rychlosti špíčky rotorového listu, popřípadě oblasti špičky rotorového listu, to je přibližně 5 až 25 % délky rotorového listu. Odstup s drážek činí přitom přibližně 0,001 až 0,15 mm.

Je také možné uspořádat přes celý povrch rotorového listu povrchové struktury s různým odstupem drážek a/nebo odstupem šupin, takže je tím dáno přizpůsobení normovaného odstupu drážky vždy příslušné obvodové rychlosti rotoru ve jmenovitém provozu.

Výhodně mají také boční výstupky žeber poloměr zakřivení maximálně 50%, výhodně maximálně 20 % bočního odstupu s žeber.

- j CZ 302586 B6

Je také výhodné, jestliže má povrch „žraloci fólie“ mezi žebry poloměr zakřivení minimálně 100 %, výhodně 200 % až 400 % bočního odstupu s žeber 11. To je znázorněno ve zvětšeném pohledu na průřez na obr. 4.

První pokusy ukázaly, že dávka hluku rotoru s rotorovými listy, které mají výše popsanou „žraločí fólii“ a tím také příslušný popsaný povrch, se mohla redukovat o přibližně 0,2 až 3 db, podle obvodové rychlosti a poměrů při nárazovém větru.

Alternativní nebo doplňující opatření k výše popsaným opatřením na redukci hluku může také spočívat v tom, že se dílčí oblasti rotorového listu, opatří ochranným lakem proti erozi. Takovým ochranným lakem proti erozi může být např. dvousložkový polyuretanový lak s rozpouštědlem, s vlastnostmi povrchu podobnými teflonu. Doposud se na přední hrany rotorového listu nalepují fólie na ochranu proti korozi, aby zabraňovaly erozi přední hrany rotorového listu vlivem ěástíček nečistot nebo deštěm či kroupami nebo obdobnými vlivy. Nalepování této fólie je velmi nákladné a musí být prováděno s velkou péčí, aby se zabránilo jejímu brzkému uvolnění v provozu. Navzdory velké péči však potom vždy zase dojde k tomu, že se nanesená fólie uvolní, což může podle okolností vést i ke zvýšení úrovně hluku v provozu, v každém případě ale zapříčiní vysoké servisní náklady, protože uvolněné, popř. odstávající části fólie nebo rohy fólie musejí být na rotorovém listu nově upevněny, nebo musejí být umístěny nové fólie.

Jako ochranný lak proti erozi, se kterým mohou být problémy známé fólie na ochranu proti erozi odstraněny, se hodí kluzné uzavření povrchu, jak je nabízí firma Coelan pod označením VP 1970M. Přitom se jedná o dvousložkový PUR lak s rozpouštědlem, s teflonu podobnými povrchovými vlastnostmi, jakož i s následujícími charakteristikami.

Obsah pevných těles:	složka A: složka B: směs:	cca 60 % cca 5 % cca 32 %
Bod vzplanutí:	-22 °C
Hustota:	složka A: složka B:	1,11 g/cm³ (20 °C) 0,83 g/cm³ (20 °C)
Viskozita:	složka A: složka B:	cca 80 s, DIN 4 (23 °C) < 10 s, DfN 4(23 °C)
Doba zpracování:	cca 16 h v uzavřené nádobě
Tvoření škraloupu:	cca 30 min	(20 °C; 50% relativní vlhkosti vzduchu)
Nelepívost po:	cca 2 h	(20 °C; 50% relativní vlhkosti vzduchu)
Tvrdost podle Herberta:	147 vteřin	(podle Kóniga, DIN 53157)

Urychlená zkouška trvala 2350 h UV-A s panelovým přístrojem „Q“ na umělou povětmost (tzv. QUV-tesť) trvala 2430 h pri záření UV-B.

Poměr směsi:

složka A: 100 hmotnostních Částí složka Β: 100 hmotnostních částí

Tento lak byl vyvinut pro stavbu člunů, jeho použití pro rotorové listy ke zmenšení vzniku hluku nebylo dosud nikdy navrženo, ale je přitom velmi výhodné, protože může nahradit známou fólii na ochranu proti erozi a mohou být tak odstraněny problémy spojené s použitím této fólie.

-4CZ 302586 B6

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle vynálezu lze použít zejména na zařízeních pro přeměnu větmé energie na energii 5 elektrickou.

Claims

10 PATENTOVÉ NÁROKY

1. Použití dvousložkového polyuretanového laku na rozpouštědlové bázi, který vytváří po zaschnutí a zreagování ulpívající povrchovou vrstvu (1) steflonovitě kluzkým vnějším povr15 chem, pro vytváření povrchové vrstvy na vnějším povrchu částí zařízení na výrobu elektrické energie, zejména na rotorovém listu (10), především na jeho náběžné hraně, jakož i na jiných částech rotoru, povrchu věže (7), gondoly či krytu (8), vystavených náporu větru, dopadání deště, sněhu či krup, k snížení hlučnosti a vzniku námrazy.