DK175892B1

DK175892B1 - Fremgangsmåde til styring af en vindmölle, navnlig i ö-drift, og en vindmölle

Info

Publication number: DK175892B1
Application number: DK200400429A
Authority: DK
Inventors: Arne Johansen
Original assignee: Arne Johansen
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-05-30
Also published as: WO2005088121A8; EP1738072A2; CA2560083A1; WO2005088121A3; CN101010506A; US20090081042A1; CN101010506B; WO2005088121A2

Description

i DK 175892 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til styring af en vindmølle, navnlig i ø-drift, hvilken vindmølle omfatter en rotor med i det væsentlig vandret omdrejningsakse, mindst to vinger, der hver især i en ende 5 er forbundet med rotoren og strækker sig ud fra denne i det væsentlige langs en vingeakse, omkring hvilken vingen kan drejes til en indstillingsvinkel for vingen, en vingejusteringsindretning til indstilling af en fælles grundindstillingsvinkel for vingerne, mid-10 ler til detektering af grundindstillingsvinklens størrelse, midler til detektering af vindmøllens belastning, midler til detektering af vingens afbøjning i omdrejningsakseretningen, ved hvilken fremgangsmåde møllens rotors omdrejningshastighed styres ved juste-15 ring af grundindstillingsvinklen, idet et styresignal for vingejusteringsindretningen tilvejebringes i afhængighed af belastningen og vindhastigheden.

Opfindelsen angår endvidere en vindmølle omfattende en rotor med i det væsentlige vandret omdrej-20 ningsakse, mindst to vinger, der hver især i en ende er forbundet med rotoren og strækker sig ud fra denne i det væsentlige langs en vingeakse, omkring hvilken vingen kan drejes gennem et første leje til en indstillingsvinkel for vingen, en vingejusteringsindret-25 ning til indstilling af en fælles grundindstillingsvinkel for vingerne, et hængsel mellem vingen og rotoren med en hængselakse strækkende sig i en retning på tværs af vingeaksen og rotorens omdrejningsakses retning, hvorved vingerne hver især kan afbøjes i ro-30 torens omdrejningsakses retning ved drejning om den respektive hængselakse. En mølle af denne art kendes fra ansøgers eget DK-B-174 346.

Et eksempel på en fremgangsmåde af den nævnte

I DK 175892 B1 I

i 2 I

I art, til styring af en vindmølle findes i GB-A-2 023 H

I 237. Ifølge dette skrift måles vindhastigheden ved H

I hjælp af en vindmåler, som er placeret på møllens H

I gondol eller et sted, hvor den ikke påvirkes af vind- I

I 5 turbinens rotation. H

I US-A-6 619 918 beskriver en mølle, der blandt I

I andet på vingerne er forsynet med strain-gauges med

I henblik på overvågning af vingernes udbøjning for at I

I undgå kollision med mølletårnet. Med en hensigtsmæs- I

I 10 sig placering af strain-gaugene vil en sådan mølle I

I kunne anvendes til udøvelse af fremgangsmåden ifølge I

I opfindelsen. I

I Andre eksempler på kendt teknik findes i: H

I US-A-6 361 275, som angår reduktion af (spids-

I 15 )belastninger på en mølles komponenter. Dertil måles H

I spændinger på forskellige komponenter, fx vingerne, H

I ved hjælp af strain-gauges; en ønsket vinkelstilling H

I for hver enkelt vinge uafhængigt af de øvrige vinger H

I bestemmes og en justeringsindretning stiller de re- I

20 spektive vinger i de ønskede stillinger for at undgå

spidsbelastning og forlænge møllens levetid. Der an- I

vendes også vindfaner eller -indikatorer monteret på I

I vingerne for at måle vindens indstrømningsvinkel. I

US-A-4 183 715 beskriver en mølle med vinger, I

I 25 der drejer op mod vinden som følge af aerodynamisk I

I løft. Et lod eller en servomotor modvirker drejningen I

I for at styre møllen. I udførelsesformen med servomo- I

I tor kan vindhastigheden målt med en vindmåler på møl- I

I lehuset inddrages i styringen. I

I 30 US-A-4 297 076 beskriver en mølle med strain- I gauges til overvågning af belastningen af vingerne.

I Signalerne fra disse strain-gauges anvendes til at H

I bestemme om møllen peger op i vinden og i givet fald H

3 DK 175892 B1 tilvejebringe et signal til en krøjemotor. Endvidere anvendes strain-gaugenes signaler til at indstille vinklerne af møllens vingespidser for at undgå vedvarende overbelastning og svingningsbelastning af møl-5 lens nav. Møllens styresystem omfatter en lukket sløjfe baseret på omdrejningstallet og en åben sløjfe baseret på den effekt, som aftages fra møllen af det net, den er tilsluttet, og vindhastigheden målt med en vindmåler. Det fremgår ikke af skriftet, præcis i 10 hvilken retning belastningen på vingerne måles af strain-gaugene. Imidlertid synes strain-gaugene at være placeret midt på vingernes profilerede del et stykke fra vingefoden således, at strain-gaugene vil måle i en retning vinkelret på vingeprofilet, som er 15 skråtstillet i forhold til et plan vinkelret på rotorens omdrejningsakse. Derved vil strain-gaugene måle i en retninger, som ikke er parallelle med rotorens omdrejningsretning.

DD-A-252 640 beskriver en mølle, som tilsigter 20 ved hjælp af et system til styring af vingernes indstillingsvinkel at udnytte vindkraften optimalt, fastholde et bestemt omdrejningstal og undgå overbelastning. Derfor måles et på vingeroden virkende bøjningsmoment, og et signal proportionalt med bøjnings-25 momentet forarbejdes i afhængighed af et signal fra en omdrejningstal-kontrolindretning til en styreimpuls til en vingeindstillingsmotor. Måling af møllens effekt omtales ikke og bøjningsmomentet synes at blive målt i en retning ca. 45° fra rotorens omdrej-30 ningsakseretning.

Ved ø-drift af en mølle, dvs. drift af en mølle, som ikke er koblet på et net med en frekvens, som kan bruges til at styre møllen, er det vanskeligt at i

DK 175892 B1 I

styre møllens omdrejningshastighed præcist, således I

at der gennem en vekselstrømsgenerator kan opnås en I

vekselstrøm med en i det væsentlige konstant fre- I

kvens. Dette problem omtales blandt andet i ovennævn- I

5 te GB-A-2 023 237, som anviser en fremgangsmåde til I

styring af en vindmølle. I

En forudsætning for en præcis styring af en I

vindmølle er imidlertid en præcis og pålidelig måling I

af vindbelastningen på møllen, da det er denne be- I

10 lastning, som af møllevingerne omsættes til rotati- I

onsenergi, som videre kan omsættes til elektrisk I

energi i en generator.

Formålet med opfindelsen er under et aspekt at

anvise en fremgangsmåde til styring af en vindmølle, I

15 hvorved møllens omdrejningshastighed og dermed fre- I

kvensen af en vekselstrøm frembragt af en tilsluttet I

generator, kan holdes konstant inden for snævre tole-

rancer. I

Formålet er under et andet aspekt at anvise en I

20 vindmølle, der kan anvendes til udøvelse af frem- I

gangsmåden.

Formålet opfyldes under det første aspekt ved I

en fremgangsmåde af den indledningsvis nævnte art, I

som er særegen ved, at der som mål for vindhastighe- I

25 den anvendes vingens afbøjning i rotorens omdrej- I

ningsakses retningen. I

Formålet opfyldes under det andet aspekt ved en - I

vindmølle af den ovennævnte art, som er særegen ved, I

at omfatte en indretning til detektering af størrel- I

30 sen af en vinges afbøjning i rotorens omdrejningsak-

ses retning og midler til detektering af grundind- I

stillingsvinklens størrelse samt midler til overfø- I

ring af en detekteret vingeafbøjningsstørrelse og en I

5 DK 175892 B1 detekteret grundindstillingsvinkelstørrelse til en styreindretning.

Opfindelsen bygger på den erkendelse, at fordi vind er en ustabil størrelse med turbulens og vind-5 stød således, at vindbelastningen kan variere betragteligt inden for få meters afstand, skal vindmøllens vinger bruges som vindmåler, hvis der skal opnås et præcist mål for vindbelastningen på møllen. Følgelig anvendes ifølge opfindelsen møllens vinger som vind-10 måler til tilvejebringelse af indgangssignal til møllens styreenhed.

Et præcist mål for vindbelastningen, og navnlig dens ændringer er nødvendig for at kunne styre en mølle med et hurtigt respons, som er en nødvendighed 15 for en præcis styring.

I foretrukne udførelsesformer for fremgangsmåden ifølge opfindelsen måles rotorens omdrejningshastighed og den målte værdi anvendes i tilvejebringelsen af styresignalet for vingejusteringsindretningen.

20 I en praktisk udførelsesform anvendes som mål for vindhastigheden afbøjningen af vingen med den største afbøjning.

Ved at bruge rotorens omdrejningshastighed ved styringen kan etableres en lukket sløjfe for at sikre 25 at omdrejningshastigheden ikke driver i forhold til den ønskede værdi.

Bruges alene omdrejningshastigheden til styring etableres først et styrerespons når omdrejningshastigheden har ændret sig.

30 Ved at bruge den aktuelle vindbelastning på møllevingerne kan etableres et styrerespons, når vindbelastningen ændrer sig, før denne ændring har resulteret i en ændret omdrejningshastighed.

I DK 175892 B1 I

I en praktisk udførelsesform for vindmøllen I

ifølge opfindelsen findes en indretning til detekte- I

ring af afbøjningen af vingen med den største afbøj- I

ning. Endvidere findes fortrinsvis midler til detek- I

5 tering af rotorens omdrejningshastighed og midler til - I

overføring af den detekterede størrelse til en styre- I

enhed. I

En styreenhed til at tilvejebringe et styresig- I

nal til vinge justeringsindretningen kan være en del I

10 af møllen. Alternativt kan en ekstern styreenhed være I

forbundet til møllen. Styreenheden vil i praksis om- I

fatte en computer. I

Fremgangsmåden til styring ifølge opfindelsen I

er primært tænkt anvendt til styring af en vindmølle I

15 i ø-drift, hvor møllens afgivne effekt skal være sva- I

re til efterspørgslen, da der ikke vil være andre I

kilder at regulere. Fremgangsmåden kan dog også tæn- I

kes anvendt på en vindmølle i et net, hvor fremgangs- I

måden kan anvendes til at tilvejebringe en i det væ- I

20 sentlige konstant udgangseffekt fra vindmøllen, såle- I

des at styringen af nettet som helhed lettes. I

Opfindelsen vil i det følgende blive forklaret I

nærmere ved hjælp af udførelseseksempler under hen- I

visning til den skematiske tegning, på hvilken I

25 fig· 1 viser et snit langs hovedaksen i en I

vindmølles rotorhus som indikeret ved I-I i fig. 2, I

fig. 2 et snit som indikeret ved II-II i fig. I

1, og I

fig. 3 et snit langs hovedaksen gennem styrede- I

30 len. I

Idet der henvises til fig. l og 2 har en vind- I

mølle ifølge opfindelsen en hovedaksel 1 der strækker I

sig langs og kan rotere om en hovedakse la. Hovedaks- I

7 DK 175892 B1 len 1 strækker sig ind i møllens ikke viste gondol til et gear for overføring af rotationsenergi til en vekselstrømsgenerator på i og for sig kendt måde.

Hovedakslen 1 er drejefast forbundet med og bæ-5 rer et rotorhus 2, som bærer to lejehuse 3, der hver især bærer en vinge 4. Rotorhuset 2 og dets arrangement og udstyr er symmetrisk om hovedaksen la. Derfor vil i det efterfølgende kun blive beskrevet en vinge 4 og dennes fastgøring til rotorhuset 2.

10 Den her med henvisning til tegningen beskrevne mølle har to vinger, men fagmanden vil forstå at opfindelsen kan anvendes på møller med flere, eksempelvis tre, vinger. Endvidere er den med henvisning til tegningen beskrevne mølle en såkaldt efterløber, dvs.

15 at rotoren med vingerne befinder sig på læsiden af det ikke viste mølletårn. Fagmanden vil forstå at opfindelsen også kan anvendes på en frontløber, dvs. en mølle hvis rotor og vinger befinder sig på vindsiden af mølletårnet.

20 Lejehuset 3 er ved hjælp af to lejer 5 hængslet til rotorhuset 2 således, at lejehuset 3 kan svinge om en akse 3a, der strækker sig i et plan vinkelret op hovedaksen la.

I lejehuset 3 er gennem to lejer 6 lejret en 25 vingerod 7, som derved er drejelig om en vingeakse 7a. Vingeroden 7 bærer ved sin ene ende vingen 4 og er ved sin anden ende drej ef ast forbundet med et konisk tandhjul 8, som er indgreb med et andet konisk tandhjul 9. Det andet koniske tandhjul 9 er fastgjort 30 til en indstillingsaksel 10, som bærer et snekkehjul 11. Indstillingsakslen 10 med tandhjulet 9 og snekkehjulet 11 er gennem lejer 12 lejret roterbart om aksen 3a i lejehuset 3.

DK 175892 B1 I

Snekkehjulet 11 er i indgreb med en snekke 13,

som kan drejes ved hjælp af en hul styreaksel 14, der I

strækker sig koaksialt gennem hovedakslen 1. I

Gennem den hule styreaksel 14 strækker sig en I

5 trykstang 15, som ved sin i fig. 1 viste ende bærer - I

en anlægsplade 16. En vippearm 17 kan vippe om et le- I

je 18 og er ved sin ene ende forbundet med lejehuset I

3 gennem en konsol 19 på lejehuset 3 og et led 20 som I

gennem hængsler 21 er forbundet til konsollen 19 og I

10 vippearmen 17. Ved sin ende modsat leddet 20 bærer I

vippearmen en trykrulle 22, som kan ligge an mod an- I

lægspladen 16. I

Under drift vil centrifugalkraften søge at I

stille vingen 4 med vingeaksen 4a vinkelret på hoved- I

15 aksen, medens trykket fra vinden, som er antydet ved I

en pil 23 i fig. 1, vil søge at presse vingen bagover

omkring aksen 3a til en afbøjningsvinkel a. Ved stil- I

stand vil tyngekraften dreje den ene vinge nedad om- kring aksen 3a. Derfor bærer rotorhuset 2 fortrinsvis

20 ikke viste stabiliseringsfjedre, som søger at holde I

vingerne 4 vinkelret på hovedaksen la. En sådan sta- I

biliseringsfjeder kan være fastgjort til en konsol 24 I

på ivert lejehus 3. I

Det forstås at ved svingning af vingen 4 om ak- I

25 sen 3a vil vingeroden 7's koniske tandhjul 8 rulle på I

indstillingsakslen 10's koniske tandhjul 9, hvorved I

vingen 7 vil dreje tilsvarende om vingeaksen 7a. Den- ne drejning påvirker ikke den anden, ikke viste vin-

ge. I

30 Det forstås endvidere at drejning af snekken 13 I

ved hjælp af styreakslen 14 vil resultere i en drej- I

ning af indstillingsakslen 10 og dermed en drejning I

af vingen 4. Denne drejning gælder for begge vinger, I

9 DK 175892 B1 både den viste og den ikke viste.

I fig. 3 er vist møllens styredel. Således viser fig. 3 den i forhold til det i fig. 1 viste modsatte ende af hovedakslen 1, styreakslen 14 og tryk-^ 5 stangen 15.

Hovedakslen 1 bærer drejefast et første cylindrisk tandhjul 26, og styreakslen 14 bærer drejefast et andet cylindrisk tandhjul 27. Det første cylindriske tandhjul 26 er i indgreb med et tredje cylindrisk 10 tandhjul 28 og det andet cylindriske tandhjul 27 er via et mellemhjul 29 i indgreb med et fjerde cylindrisk tandhjul 30. Det tredje og det fjerde cylindriske tandhjul 28 og 30 henholdsvis bæres drejeligt af aksler 31, som er stedfast monteret i den ikke viste 15 gondol af vindmøllen, og der er fast forbundet med hvert sit af to første, modstående, koniske tandhjul 32 i et differentiale med et via lejer 38 roterbart differentialehus 33. Drejeligt om en differentialeaksel 34 findes to andre, modstående, koniske tandhjul 20 35, som er i indgreb med de første, modstående, koniske tandhjul 32. Differentialehuset 33 bærer på sin omkredsflade et snekkehjul 36, som er i indgreb med en stedfast i gondolen monteret snekke 37, som er ro-terbar om en akse vinkelret på tegningens plan.

25 Det første og det tredje cylindriske tandhjul 26 og 28 har ens diameter, og det andet og det fjerde cylindriske tandhjul 27 og 30 har ens diameter.

Som følge deraf vil differentialeakslen 34 stå stille, når hovedakslen 1 og styreakslen 14 har samme om-30 drejningshastighed og -retning. Hvis hovedakslen 1 og styreakslen 15 ikke har samme omdrejningshastighed og -retning, vil differentialeakslen 34 rotere om en med akslerne 31 koaksial akse medbringende differentiale-

I DK 175892 B1 I

I 10 I

huset 33 og snekkehjulet 36. Sidstnævnte vil ved sit I

I indgreb drive snekken 37. I

I Hvis hovedakslen 1 og styreakslen 14 roterer I

I med forskellig hastighed vil det medføre en drejning I

I 5 af snekken 13 i rotorhuset 2 og dermed en drejning af ^ I

I vingerne. Derfor kan via snekken 37 udlæses en grund-

I indstillingsvinkel for vingerne. I

I En omdrejningstæller 40 er via et femte cylin- I

I drisk tandhjul 41, som er i indgreb med det første

I 10 cylindriske tandhjul 26, forbundet med hovedakslen og I

I angiver dermed dennes omdrejningshastighed. I

En positionsmåler 42 har en tast 42a i anlæg I

I mod enden af trykstangen 15 og giver derfor via vip- I

I pearmen 17 et mål for afbøjningsvinklen α for vingen I

I 15 med den største afbøjningsvinkel. I

En styremotor 43 bærer drejefast på sin aksel I

I 44 et sjette cylindrisk tandhjul 45, som er i indgreb I

med det andet cylindriske tandhjul 27. Derved styrer

I styremotoren 43 styreakslen 14’s rotation. I

20 Styremotoren 43 styres af en med en mikropro- I

I cessor forsynet styreindretning 46, som modtager sig- I

I naler fra snekken 37, omdrejningstælleren 40, positi- I

I onsmåleren 42 og desuden et signal som angiver be- I

I lastningen på møllen, eksempelvis en angivelse af den I

I 25 effekt som afgives af den ikke viste generator. I

I Således modtager styreindretningen 46 i en fo- I

retrukket udførelsesform følgende signaler: I

I A: mål for vingernes grundindstillingsvinkel I

I udledt fra snekken 37, I

I 30 B: mål for møllens (hovedakslen l's) omdrej- I

I ningshastighed udledt fra omdrejningstælleren 40, I

I C: mål for vindhastigheden mod møllevingerne I

I eller vindbelastning på møllevingerne udtrykt ved af- I

11 DK 175892 B1 bøjningsvinklen α udledt fra positionsgiveren 42, og D: mål for møllens effekt som afgivet af generatoren.

I den her beskrevne udførelsesform drives møl- v 5 len i ø-drift, dvs· at den ikke er forbundet til et større net. Møllens omdrejningshastighed skal så vidt muligt holdes konstant fordi frekvensen af den af generatoren afgivne strøm er proportionel med møllens omdrejningshastighed, og denne frekvens ønskes så 10 konstant som muligt.

Under driften skal møllens effekt varieres efter behovet, fordi overskydende effekt fra møllen vil blive optaget som kinetisk energi i møllen roterende dele, dvs. at møllens omdrejningshastighed vil øges, 15 hvilket som nævnt er uønsket.

Ved konstant vindbelastning kan effekten indstilles ved indstilling af vingernes grundindstillingsvinkel.

Ved konstant effektbehov kan den af vinden ud-20 vundne effekt indstilles ved indstilling af vingernes grundindstillingsvinkel.

Fordi både vindbelastningen og effektbehovet i realiteten varierer tilfældigt styres styremotoren 43 af styreindretningen 46 i en åben-sløj festyring ved 25 hvilken styreindretningen bestemmer en ønsket grundindstillingsvinkel på grundlag af målene C og D for henholdsvis vindbelastningen og den aftagne effekt.

Som udgangspunkt roteres styreakslen 14 med samme omdrejningshastighed som hovedakslen 1. Ved be-30 hov for ændring af vingernes grundindstillingsvinkel øges eller reduceres styreakslen 14' s omdrejningshastighed. Den ændrede grundindstillingsvinkel udledes som målet A fra snekken 37. Når målet A svarer til _ _____ __'

I DK 175892 B1 I

det af styreindretningen 4 6 bestemte indstilles sty- I

reakslen 14's hastighed til den for hovedakslen 1 øn- I

skede omdrejningshastighed. I

For at hindre, at omdrejningshastigheden for I

5 hovedakslen 1 driver, overlejres åben-sløj festyringen - I

af en lukket-sløj festyring med tilbagekobling af må- I

let D fra omdrejningstælleren til styreindretningen I

Forsøg har vist at der på denne måde kan opnås I

10 en vekselstrøm fra generatoren med en frekvens, der I

kun afviger +/- 2,5% fra det ønskede. I

De enkelte vinger vil udover grundindstillings- I

vinklen ændre deres aktuelle indstillingsvinkel som I

følge af deres aktuelle afbøjningsvinkel α på samme I

15 måde som beskrevet i ansøgers ovennævnte, ældre dan- I

ske patent nr. 174 346. I

Claims

1. Fremgangsmåde til styring af en vindmølle, fortrinsvis i ø-drift, hvilken vindmølle omfatter en rotor med i det 5 væsentlig vandret omdrejningsakse, mindst to vinger, der hver især i en ende er forbundet med rotoren og strækker sig ud fra denne i det væsentlige langs en vingeakse, omkring hvilken vingen kan drejes til en indstillingsvinkel for vingen, en vingejusteringsind-10 retning til indstilling af en fælles grundindstillingsvinkel for vingerne, midler til detektering af grundindstillingsvinklens størrelse, midler til detektering af vindmøllens belastning, midler til detektering af vingens afbøjning i omdrejningsakseret-15 ningen, ved hvilken fremgangsmåde møllens rotors omdrejningshastighed styres ved justering af grundindstillingsvinklen, idet et styresignal for vingejuste-ringsindretningen tilvejebringes i afhængighed af be-20 lastningen og vindhastigheden, kendetegnet ved, at der som mål for vindhastigheden anvendes vingens afbøjning i rotorens omdrejningsakses retningen.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at rotorens omdrejningshastighed 25 måles og anvendes i tilvejebringelsen af styresignalet for vingejusteringsindretningen.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at der som mål for vindhastigheden anvendes afbøjningen af vingen med den største 30 afbøjning.

4. Vindmølle omfattende en rotor med i det væsentlig vandret omdrejningsakse, i . _____._____—d DK 175892 B1 mindst to vinger, der hver især i en ende er I forbundet med rotoren og strækker sig ud fra denne i I det væsentlige langs en vingeakse, omkring hvilken I vingen kan drejes gennem I 5 et første leje til en indstillingsvinkel for - I vingen, I en vingejusteringsindretning til indstilling af I en fælles grundindstillingsvinkel for vingerne, I et hængsel mellem vingen og rotoren med en I 10 hængselakse strækkende sig i en retning på tværs af I I vingeaksen og rotorens omdrejningsakses retning, I hvorved vingerne hver især kan afbøjes i rotorens om- I drejningsakses retning ved drejning om den respektive I I hængselakse, kendetegnet ved, at omfatte I I 15 en indretning til detektering af størrelsen af en I H vinges afbøjning i rotorens omdrejningsakses retning I og midler til detektering af grundindstillingsvink- I I lens størrelse samt midler til overføring af en de- I I tekteret vingeafbøjningsstørrelse og en detekteret I I 20 grundindstillingsvinkelstørrelse til en styreindret- I ning. I

5. Vindmølle ifølge krav 4,kendeteg- I I net ved, at omfatte en indretning til detektering I af afbøjningen af vingen med den største afbøjning. I

6. Vindmølle ifølge krav 4 eller 5, k e n d e - I tegnet ved midler til detektering af rotorens I I omdrejningshastighed og midler til overføring af den I I detekterede størrelse til en styreenhed. I

7. Vindmølle ifølge krav 4-6,kendeteg- I I 30 n e t ved, at omfatte en styreenhed til at tilveje- I I bringe et styresignal til vingejusteringsindretnin- I I gen. I