DK173607B1 - Vindmøllevinge med system til afisning af lynbeskyttelse - Google Patents

Description

DK 173607 B1

Opfindelsen angår en vindmøllevinge omfattende en første og en anden elektrisk leder, der forløber i vingens længderetning, et eller flere elektriske varmelegemer til opvarmning af vingens overflade, hvilke varmelegemer er forbundet med den første og den anden leder.

5 Vindmøller er meget udsat for skadelige påvirkninger som følge af klimatiske forhold og naturens kræfter. Opfindelsen angår generelt beskyttelse af vindmøller og nærmere bestemt vindmøllevinger mod skadelige eller uønskede påvirkninger fra isdannelse på vingernes overflade og lynnedslag.

Overisning af fly vinger er et kendt og alvorligt problem af flere årsager. Isdannelsen kan 10 ændre vingens profil og dermed ødelægge vingens opdriftsevne. Desuden kan isstykker under flyvningen brække af og ødelægge propellerne eller turbinebladene. Problemet med overisning af flyvinger er de fleste steder løst ved at oversprøjte flyet med bestemte kemikalier før flystart.

Overisning af vindmøllevinger har også flere negative følger. Isdannelsen kan også her 15 ændre vingeprofilet og dermed vingens aerodynamiske egenskaber, hvilket går ud over effektiviteten. Desuden kan uensartet isdannelse på vindmøllevingerne medføre en voldsom asymmetrisk belastning af vindmøllekonstruktionen, hvilket kan føre til havari.

Endelig udgør isstykker, der kastes af vingerne, en alvorlig risiko for f.eks. bygninger og mennesker, der befinder sig nær møllen. Problemet er vokset i de senere år, idet der 20 sættes flere og flere vindmøller op på steder, hvor der er stor overisningsrisiko.

Isdannelse på vindmøllevinger kan fjernes ved at opvarme vingens overflade. Dette kan gøres på flere måder. Fra DE 196 21 485 kendes en vindmøllevinge, som opvarmes indvendigt ved hjælp af varm luft med henblik på afisning. Fra WO 98/53200 kendes en vindmøllevinge, der kan afises ved hjælp af varmelegemer bestående af elektrisk 25 ledende fibre. Varmelegemerne kan være anbragt udvendigt på eller indlejret i vindmøl- 2 DK 173607 B1 levingen. Ved at opvarme overfladen smeltes bindingen mellem vindmøllevingens overflade og isbelægningen, så at sidstnævnte "kastes af" i flager.

Moderne vindmøller er ofte meget store konstruktioner, der rager højt op i landskabet, og mange vindmøller udsættes hvert år for lynnedslag. Ved et lynnedslag kan der være 5 tale om meget store strømstyrker på størrelsesordenen 10-200 kA over en meget kort periode. Skader som følge af lynnedslag varierer fra kortere produktionsafbrydelser, på grund af f.eks. overbrændte sikringer, til alvorlige skader, hvor en eller flere af vingerne ødelægges, hvilket igen kan medføre skader på hele konstruktionen. Der er derfor i de senere år udviklet systemer til beskyttelse af vindmøller mod lynnedslag.

10 Fra WO 96/07825 kendes et lynbeskyttelsessystem for vindmøllevinger, der ved vingens tip er forsynet med en såkaldt lynreceptor af elektrisk ledende materiale. Denne lynreceptor kan "fange" et lynnedslag og lede lynstrømmen gennem en lyn-nedleder, som strækker sig i vingens længderetning, og som via vindmøllenavet er jordforbundet. Dette system har vist sig at give en særdeles effektiv beskyttelse.

15 Formålet med opfindelsen er at anvise en indretning, der på en enkel, billig og sikker måde beskytter en vindmøllevinge mod både overisning og lynnedslag.

Formålet er ifølge opfindelsen opnået ved, at vindmøllevingen er forsynet med et i sig selv kendt lynafledningssystem omfattende en lynreceptor ved vindmøllevingens tip og en tredje elektrisk leder, som er elektrisk forbundet med lynreceptoren, og som ved 20 vingeroden er jordforbundet, og at den første og den anden leder via gnistgab nær lynreceptoren er forbundet med denne og via gnistgab ved vingeroden er jordforbundet.

Herved opnås en vindmøllevinge, som kan afises, og hvor vingen og selve varmelegemerne er effektivt beskyttet mod lynnedslag, idet lynstrømmen primært ledes til jord via den tredje leder og sekundært ved dannelse af lysbuer i gnistgabene ledes til jord via den 25 første og den anden leder. Spændingsforskellen over varmelegemerne vil til enhver tid under Iynnedslaget være nul, og der vil således ikke løbe skadeligt store strømme gen nem varmelegemerne.

3 DK 173607 B1

Ifølge en foretrukken udførelsesform for opfindelsen er den første leder nær vingeroden via en overspændingssikring forbundet med en første strømfase og den anden leder nær 5 vingeroden via en overspændingssikring forbundet med en anden strømfase. Herved opnås en effektiv beskyttelse af strømforsyningen, idet overspændingssikringerne i tilfælde af lynnedslag vil afbryde den elektriske forbindelse mellem strømforsyningen og henholdsvis den første og den anden leder.

Ifølge en hensigtsmæssig udførelsesform er varmelegemerne anbragt udvendigt på 10 vingens overflade. Herved behøver man ikke at ændre på vingekonstruktionen, idet vingens styrke ikke reduceres ved en sådan placering.

Ifølge en anden udførelsesform er varmelegemerne indlamineret i vingematerialet.

Herved påvirkes vindmøllevingens overfladeegenskaber og dermed vingens aerodynamiske egenskaber ikke.

15 Varmelegemerne består fortrinsvis af en metalfolie, hvormed der kan opnås en ensartet opvarmning af vindmøllevingens overflade. En sådan metalfolie kan også klæbes fast på vindmøllevingens overflade uden at ændre dennes aerodynamiske egenskaber væsentligt.

Ifølge en udførelsesform kan den første og den anden leder være anbragt i vindmøllevingens væg og den tredje leder være ført i et hulrum i vingen. Herved sikres en lille 20 afstand mellem varmelegemerne og henholdsvis den første og den anden leder.

Varmelegemerne er fortrinsvis anbragt ved vingens forkant, idet det er her, overisning oftest starter under vindmøllens drift.

4 DK 173607 B1

Vindmøllevingen ifølge opfindelsen kan omfatte en drejelig tip, idet mindst en del af den første og den anden leder strækker sig i den drejelige tip og er forbundet med den del af den samme leder, der strækker sig i den øvrige vingedel, via fjedrende kontaktelementer, og der kan parallelt med hver af disse kontaktelementer være tilvejebragt gnist-5 gab mellem de to dele af den samme leder. Herved opnås elektrisk forbindelse mellem de i henholdsvis tippen og den øvrige vinge forløbende dele af den første og den anden leder, samtidig med, at kontaktelementerne er beskyttet mod lynstrøm og dermed risiko for sammensvejsning, idet lynstrømmen vil løbe gennem en lysbue i gnistgabene. Herved opnås en enkel og effektiv beskyttelse af vindmøllevinger med drejelig tip mod 10 overisning og lynnedslag.

Opfindelsen vil i det følgende blive forklaret nærmere ved hjælp af foretrukne udførelsesformer, der er vist på tegningen, hvor fig. 1 forfra viser en vindmølle, fig. 2 en vindmøllevinge og et vindmøllenav, set forfra, 15 fig. 3 et tværsnit gennem en foretrukken udførelses form for en vindmøllevinge ifølge opfindelsen, fig. 4 et skematisk diagram over den foretrukne udførelsesform for en vindmøllevinge ifølge opfindelsen, fig. 5 en del af den i fig. 4 viste vinge i større målforhold og med flere detaljer, 20 fig. 6 tippen af en vindmøllevinge ifølge opfindelsen, og fig. 7 en del af en vindmøllevinge med en drejelig tip ifølge opfindelsen.

5 DK 173607 B1

Den i fig. 1 viste vindmølle består i det væsentlige af et tårn 31, et vindmøilenav 30 og tre vinger 25, der i det viste tilfælde er forsynet med en drejelig tip 26. Tippen 26 kan drejes 90° i forhold til den øvrige del af vingen og virke som en luftbremse. I fig. 2 ses den ene af vindmøllevingerne 25 i større målforhold. Den del af vingen 25, der ligger 5 nærmest navet 30, kaldes vingeroden 35. Under vindmøllens drift drejer vingen i retning af pilen 32. Den kant, der ligger forrest i omdrejningsretningen, kaldes forkanten 33, og den kant, der ligger bagest i omdrejningsretningen, kaldes bagkanten 34.

I fig. 3 ses et tværsnit efter linien ΙΠ-ΙΠ gennem vindmøllevingen ifølge fig. 2. Vingen er en skalkonstruktion med et indvendigt hulrum. De i fig. 3 viste detaljer vil blive 10 forklaret i det følgende.

I fig. 4 ses skematisk en foretrukken udførelsesform for dele af en vindmøllevinge ifølge opfindelsen. De viste dele, hvis geometriske udstrækning svarer til vindmøl levingens, omfatter en lynreceptor 5 ved vindmøl levingens tip, en første 1, en anden 2 og en tredje 3 elektrisk leder, elektriske varmelegemer 4, fire gnistgab 7a, 7b, 9a, 9b og to over-15 spændingssikringer 6a, 6b. Lynreceptoren 5 (lynaflederen) udgøres af en ved vingens tip blottet metaldel, der kan fange et lynnedslag. Lynreceptoren 5 er via den elektriske leder 3 forbundet med jord 20. Denne jordforbindelse er selvsagt tilvejebragt via vind-møllens nav 30 og tårn 31. Γ den i fig. 4 viste udførelsesform omfatter indretningen tre elektriske varmelegemer 4, der er forbundet med hhv. den første 1 og den anden 2 leder.

20 Den første 1 og den anden 2 leder er ved vindmøllevingens rod 35 via overspændingssikringer 6a, 6b forbundet med henholdsvis en første strømfase 37a og en anden strømfase 37b af en (ikke-vist) trefaset vekselstrømforsyning, og er via gnistgabene 9a, 9b forbundet med jord. Når der sættes spænding på punkterne 37a, 37b, vil der løbe strøm gennem de elektriske varmelegemer 4, der så vil opvarme vindmøllevingens overflade og 25 smelte bindingen mellem overfladen og eventuelle isbelægninger. Isbelægningerne vil herved falde af. Ved vindmøllevingens tip er der tilvejebragt gnistgab 7a, 7b mellem henholdsvis den første 1 og den anden 2 leder og lynreceptoren 5. Ved et lynnedslag vil lynstrømmen umiddelbart ledes fra lynreceptoren gennem den den tredje 3 leder til jord, 6 DK 173607 B1 men der vil hurtigt opstå en lysbue i gnistgabene 7a, 7b, 9a, 9b mellem lynreceptoren 3 og henholdsvis den første 1 og den anden 2 leder og mellem henholdsvis den første 1 og den anden 2 leder ogjord, hvorved lynstrømmen også vil ledes til jord via den første og den anden leder. Den del af lynstrømmen, der ledes gennem den primære, tredje 5 leder 3 er dog betydelig større end den del af lynstrømmen, der ledes gennem den første 1 og den anden 2 leder. Ved den forholdsvis kraftige lynstrøm gennem den første 1 og den anden 2 leder vil overspændingssikringerne 6a, 6b afbryde forbindelsen mellem strømforsyningen 37a, 37b og de to ledere 1,2. Ved en korrekt og ensartet udformning af gnistgabene og den første 1 og den anden 2 leder vil der være ens spændingsfald ned 10 gennem den første 1 og den anden 2 leder, og der vil således ikke løbe skadeligt store strømme gennem varmelegemerne. Den samlede lynstrøm bliver altså fordelt over de tre ledere 1,2, 3, og en skadelig opvarmning af vingematerialet og varmelegemerne som følge af lynnedslaget kan herved undgås.

I fig. 5 ses en del af det i fig. 4 viste i større målforhold. Varmelegemerne 4 udgøres 15 af tynde metalfolier, der kan lede elektrisk strøm og har en passende elektrisk modstand. Alternativt kan varmelegemerne bestå af elektrisk ledende kulfibre. Termineringeme mellem varmelegemerne 4 og den første 1 og den anden 2 leder er her foretaget ved hjælp af små pladeformede elektrisk ledende dele 9 og nitter 10. Alternativt kan de pladeformede dele 9 svejses fast på lederne 1, 2 og varmelegemernes 4 kanter. Begge 20 fastgørelsesmetoder er fordelagtige ved, at de kan tilvejebringes fra kun en side, f.eks. vingens yderside.

I fig. 6 ses vingetippen og gnistgabet 7b mellem lynreceptoren 5 og den anden leder 2. Gnistgabet er her udformet som en cirkelbueformet konkav flade ved enden af lederen 2, hvilken flade delvist omslutter en stangformet del 40 på lynreceptoren 7.

25 I fig. 7 ses et udsnit af en vinge med en drejelig tip 26. Tippen 26 kan drejes omkring sin længdeakse i forhold til den øvrige vinge 27. Den drejelige forbindelse mellem tippen 26 og den øvrige vingedel 27 er tilvejebragt ved hjælp af en aksel 14, typisk en 7 DK 173607 B1 kulfiberaksel, på en i sig selv kendt måde, der ikke vil blive beskrevet yderligere her.

Den elektriske forbindelse mellem den del af lederne 1, 2, der befinder sig i tippen 26, og den del af lederne 1, 2, der befinder sig i den øvrige vingedel 27, er tilvejebragt ved hjælp af fjedrende kontaktelementer 15.1 fig. 7 er kun den anden 2 leder vist. På tegnin-5 gen er tippen 26 og dermed kontaktelementet 15 trukket væk fra den øvrige vingedel 27 for tydelighedens skyld. Selvom det ikke er vist på tegningen, er der tilvejebragt et gnistgab mellem de to dele aflederen 1, 2.1 dette gnistgab opstår der ved lynnedslag en lysbue, hvorved lynstrømmen fra tippen kan ledes til jord uden om kontaktelementeme, der således ikke sammensvejses som følge af for kraftig opvarmning. Den tredje 10 elektriske leder 3 kan ikke ses i fig. 7, men er ført indvendigt i akselen 14. Den tredje leder 3 kan udgøres af en i sig selv kendt wire, der anvendes til styring af tippen 26.

Varmelegemerne 4 kan enten være indlamineret i vindmøllevingens vægge eller være monteret udvendigt på overfladen, som vist i fig. 3. I sidstnævnte tilfælde kan man montere varmelegemerne 4 i størrelse og antal svarende til det overfladeareal af vingen, 15 som man ønsker at kunne opvarme. I fig. 3 er vingens forkant 33, der ofte er særlig kritisk med hensyn til overisning, forsynet med varmelegemer 4, men et hvilket som helst del af eller hele overfladen kan forsynes med varmelegemer 4.1 fig. 3 er varmelegemerne 4 fortegnede for tydelighedens skyld. De kan være så tynde, at de i praksis ikke ændrer overfladens profil. Både i det tilfælde, hvor varmelegemerne 4 er indlamineret 20 i vindmøllevingens væg 13, og hvor varmelegemerne er monteret udvendigt på vindmøllevingerne, sikrer den modulære opbygning, at man kan tilpasse den enkelte vindmølle til de aktuelle klimatiske forhold.

Den første 1 og den anden 2 leder kan være anbragt uden på vingens overflade eller være indlejret i vingevæggen 13. I den i fig. 3 viste udførelsesform er de anbragt i 25 fordybninger i overfladen. Den første 1 og den anden 2 leder er fortrinsvis fremstillet af metal, men kan også være fremstillet af kulfibermateriale med evt. metalbelagte kulfibre.

8 DK 173607 B1

Spændingsfaldene over dels den i vindmøllevingens indre anbragte leder 3 (se fig. 3) og de to perifert anbragte ledere 1, 2 vil med den rigtige udformning (samme induktans) også have samme potentiale på delstrækninger. Herved kan potentialudligninger udelades, og det sikres, at spændingsforskellen over varmelegemerne 4 til enhver tid under 5 et lynnedslag er nul, hvorved der ikke vil løbe skadeligt store strømme gennem varmelegemerne 4.

Et ikke-vist omskifterrelæ kan være indskudt mellem terminalpunktet 37a, 37b og strømforsyningen. Dette relæ kan være forbundet med en is-sensor på vindmøllevingens 10 overflade, så at relæet skaber elektrisk forbindelse mellem strømforsyningen og lederen 1, 2, når is-sensoren detekterer is.

Strømforsyningen, der er tilsluttet terminalpunkteme 37a, 37b (fig. 4) kan være enten en jævn- eller vekselstrømforsyning. Strømforsyningen kan enten være vindmøllens primære strømforsyning eller være sekundære strømforsyninger, som sidder i møllens 15 top eller bund, eller som roterer med vingerne inden i disse eller i navet.

De elektriske ledere kan desuden levere strøm til sekundære formål, såsom opvarmning af akselrør i vinger med tip, eller til temperaturfølere og transmittere af enhver art, som har behov for energi til signalbehandling, og hvorfra der transmitteres signaler ned i selve møllen ved hjælp af andre teknikker, såsom radiobølger, laserlys eller optiske 20 fibre.

Opfindelsen er ikke begrænset til de her viste udførelsesformer.

Claims (8)

1. Vindmøllevinge omfattende en første (1) og en anden (2) elektrisk leder, der forløber i vingens (25) længderetning, et eller flere elektriske varmelegemer (4) til opvarm- 5 ning af vingens overflade, hvilke varmelegemer (4) er forbundet med den første (1) og den anden (2) leder, kendetegnet ved, at vindmøllevingen er forsynet med et i sig selv kendt lynafledningssystem omfattende en lynreceptor (5) ved vindmøllevingens tip og en tredje (3) elektrisk leder, som er elektrisk forbundet med lynreceptoren (5), og som ved vingeroden er jordforbundet, og at den første (1) og den anden (2) leder via 10 gnistgab (7a, 7b) nær lynreceptoren (5) er forbundet med denne og via gnistgab (9a, 9b) ved vingeroden er jordforbundet.

2. Vindmøllevinge ifølge krav 1,kendetegnet ved, at den første leder (1) nær vingeroden via en overspændingssikring (6a) er forbundet med en første strømfase (37a), og at den anden leder (2) nær vingeroden via en overspændingssikring (6b) er forbundet 15 med en anden strømfase (37b).

3. Vindmøllevinge ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at varmelegemerne (4) er anbragt udvendigt på vindmøllevingens (25) overflade.

4. Vindmøllevinge ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at varmelegemerne (4) er indlamineret i vingens væg (13).

5. Vindmøllevinge ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at varmelegemerne (4) består af metalfolie.

6. Vindmøllevinge ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at den første (1) og den anden (2) leder er anbragt i vindmøllevingens væg (13), og at den tredje (3) leder er ført i et hulrum i vingen. DK 173607 B1 1°

7. Vindmøllevinge ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at varmelegemerne (4) er anbragt ved vingens (25) forkant.

8. Vindmøllevinge ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at den omfatter en i sig selv kendt drejelig tip (26), og at mindst en del af den første og 5 den anden leder (1, 2) strækker sig i den drejelige tip (26) og er forbundet med den del af samme leder (1,2), der strækker sig i den øvrige vingedel (27), via fjedrende kontaktelementer (15), og at der parallelt med hver af disse kontaktelementer (15) er tilvejebragt gnistgab mellem de to dele af den samme leder (1, 2).