FI96134C

FI96134C - Arrangement at a wind farm

Info

Publication number: FI96134C
Application number: FI942064A
Authority: FI
Inventors: Aate A Virtanen
Original assignee: Labko Ab Oy
Priority date: 1994-05-05
Filing date: 1994-05-05
Publication date: 1996-05-10
Also published as: FI96134B; FI942064A; FI942064A0

Description

96134 Järjestely tuulivoimalassa96134 Arrangement in a wind farm

Keksinnön kohteena on järjestely tuulivoimalassa. Tuulivoimala käsittää virtauskanavistolla tai vas-5 taavalla varustetun roottorin, jossa on yksi tai useampi lapa tai siipi. Roottori on järjestetty ilmavirtauksen roottoriin kohdistamalla voimalla pyörittämään roottoriin yhdistettyä akselia energian tuottamiseksi akseliin yhdistetyllä energiantuottolait-10 teistolla.The invention relates to an arrangement in a wind power plant. The wind turbine comprises a rotor with a flow duct or the like and one or more blades or blades. The rotor is arranged to apply a force of air flow to the rotor to rotate the shaft connected to the rotor to produce energy with the energy generating device-10 connected to the shaft.

Tuulivoimaloissa on eräänä vaikeana ongelmana erityisesti pohjoisilla leveysasteilla tietyissä sääoloissa tapahtuva roottorin jäätyminen. Jäätymisongelmaan on 15 pyritty löytämään ratkaisuja, joista eräs tunnettu on se, että roottorin ulkopinnalle sijoitetaan vastus-elementtejä, joihin tuodaan roottorin sulatukseen tarvittava lämpöenergia sähköisesti. Tämä ratkaisu on kuitenkin käytännössä suhteellisen hankala erityi-20 sesti siinä tapauksessa, että vastuselementit asen netaan roottorin ulkopintaan, jolloin niiden muotoilussa ja sijoituksessa on huomioitava myös virtaustekniset ominaisuudet erityisesti vastuselementtien vaikutus roottorin profiilimuotoon. Myöskin sähköenergian, 25 jota tuulivoimala varsinaisesti tuottaa tietyllä hyötysuhteella, käyttö sulatukseen vähentää tuulivoimalan kokonaisenergian tuotantoa.One of the difficult problems in wind turbines is the rotation of the rotor, especially in northern latitudes, under certain weather conditions. Attempts have been made to find solutions to the freezing problem, one of which is known in that resistance elements are placed on the outer surface of the rotor, into which the thermal energy required for defrosting the rotor is applied electrically. However, this solution is relatively cumbersome in practice, especially if the resistance elements are mounted on the outer surface of the rotor, in which case their design and location must also take into account the flow technical properties, in particular the effect of the resistance elements on the rotor profile shape. The use of electrical energy 25, which is actually produced by the wind farm with a certain efficiency, for smelting also reduces the total energy production of the wind farm.

Virtauskanavistoilla tai vastaavilla varustetut 30 roottorirakenteet, joita käytetään tuulivoimaloiden yhteydessä erityyppisiin tarkoituksiin kuin roottorin • jäätymisen estämiseen, ovat tunnettuja esim. julkaisuista FI-67 433, DE—3 527 951, GB-2 186 033, US-5 106 265 ja US-4 350 897.Rotor structures 30 with flow channels or the like, which are used in connection with wind turbines for purposes other than • preventing the rotor from freezing, are known, for example, from FI-67 433, DE-3,527,951, GB-2,186,033, US-5,106,265 and US-4. 350 897.

Tämän keksinnön tarkoituksena on esittää järjestely tuulivoimalassa, jolla voidaan mitä suurimmassa määrin poistaa edellä esitettyjä ongelmia ja samalla kohottaa 35 96134 2 tuulivoimalan kokonaishyötysuhdetta, koska roottorin lämmittämiseen ei tarvitse ainakaan normaaleissa olosuhteissa käyttää sähköenergiaa. Järjestely voidaan toteuttaa yksinkertaisesti suoraan roottorin siiven 5 sisään, jolloin mm. aerodynaamisia ongelmia ei ilmene. Näiden tarkoitusten saavuttamiseksi keksinnön mukainen järjestely on pääasiassa tunnettu siitä, että järjestely käsittää: elimet energiantuottolaitteistossa syntyvän hukka-10 energian siirtämiseksi olennaisilta osiltaan lämmönsiirtoväliaineeseen ja elimet lämmönsiirtoväliaineen siirtämiseksi roottoriin, jolloin - roottorissa oleva virtauskanavisto tai vastaava on 15 järjestetty käytettäväksi lämmönsiirtoväliaineen sisältämän energian siirtämiseen roottorin rakenteisiin erityisesti jäätymisen estämiseksi.The object of the present invention is to provide an arrangement in a wind turbine which can eliminate the above-mentioned problems as much as possible and at the same time increase the overall efficiency of the wind turbine, since at least under normal conditions it is not necessary to use electrical energy to heat the rotor. The arrangement can be implemented simply directly inside the rotor blade 5, whereby e.g. no aerodynamic problems occur. To achieve these objects, the arrangement according to the invention is mainly characterized in that the arrangement comprises: means for transferring substantially the wasted energy generated in the energy production plant to the heat transfer medium and means for transferring the heat transfer medium to the rotor. to prevent freezing.

Keksintö perustuu siis siihen perusoivallukseen, että 20 energiantuottolaitteistossa syntyy hukkalämpöä, joka suurehkoissa laitteistoissa saattaa olla jopa 20 kW:n luokkaa. Tämä hukkalämpö voidaan siirtää lämmönsiirto-väliaineeseen, joka edelleen johdetaan roottorissa olevaan kanavistoon tms. tuulivoimalan toiminnan 25 varmistamiseksi erityisesti niissä olosuhteissa, joissa roottori joutuu alttiiksi jäätymiselle.The invention is thus based on the basic realization that waste heat is generated in 20 energy production installations, which in the larger installations can be of the order of up to 20 kW. This waste heat can be transferred to a heat transfer medium which is further fed to a ductwork or the like in the rotor to ensure the operation of the wind turbine, especially under the conditions in which the rotor is exposed to freezing.

Oheisissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty eräitä keksinnön edullisia sovelluksia.Some preferred embodiments of the invention are set out in the appended dependent claims.

3030

Keksintöä havainnollistetaan lähemmin seuraavassa : selityksessä, jossa viitataan oheiseen piirustukseen.The invention is further illustrated in the following description, in which reference is made to the accompanying drawing.

Piirustuksessa on kuvassa 1 esitetty kaaviollisesti eräs keksinnön mukaisen järjestelyn sovellus sivulta 35 katsottuna pystyleikkauksena ja kuvassa 2 vaihto ehtoinen sovellus järjestää lämmönsiirtoväliaineen virtaus roottorin napaan samoin pystyleikkauksena. 1 96134 3The drawing schematically shows in Fig. 1 an embodiment of the arrangement according to the invention in a vertical section seen from side 35, and in Fig. 2 an alternative embodiment arranges the flow of the heat transfer medium to the rotor hub in the same vertical section. 1 96134 3

Piirustuksessa esitetty tuulivoimala käsittää pääosina tukimaston 1, jonka yläosaan varsinainen tuulivoimala-osa on sijoitettu. Tuulivoimalaosa on laakeroitu tukimastoon pystysuoran akselin ympäri pyöriväksi.The wind turbine shown in the drawing mainly comprises a support mast 1, in the upper part of which the actual wind turbine part is placed. The wind turbine section is mounted on a support mast for rotation about a vertical axis.

5 Se käsittää kotelorungon 2 ja roottorin 3, joka on kiinnitetty napaosaan 4, joka puolestaan on yhteydessä akselin 5 välityksellä kotelorungon 2 sisäosaan, jossa varsinainen energiantuottolaitteisto sijaitsee. Energiantuottolaitteisto on piirustuksessa kuvattu 10 kaaviollisesti ja se käsittää ensimmäisenä akseliin yhdistetyn vaihdelaatikon 6 ja siihen voimansiirtoyh-teydessä olevan generaattorin 7 sekä elimet 8, jotka varmistavat energiantuottolaitteiston toimintaa, kuten laakeroinnit, voitelujärjestelmät, hydrauliikka-15 järjestelmät jne. Varsinainen energiantuottolaitteisto voidaan keksinnön puitteissa toteuttaa usealla eri tavalla, joita ei tässä yhteydessä lähemmin selvitetä, koska ne kuuluvat alan ammattimiehelle ilmeiseen tekniikkaan.It comprises a housing body 2 and a rotor 3 attached to a hub part 4, which in turn communicates via a shaft 5 to the inner part of the housing body 2 where the actual energy production equipment is located. The energy generating equipment is schematically illustrated in the drawing 10 and first comprises a gearbox 6 connected to the shaft and a generator 7 connected to it, as well as means 8 ensuring the operation of the energy generating equipment, such as bearings, lubrication systems, hydraulic systems. in a manner not further elucidated in this context because they are within the skill of the art.

2020

Piirustuksen esittämässä sovelluksessa kotelorungon 2 sisään on muodostettu suljettu vaippatila 9 seinämä-rakenteen 10 tai vastaavan avulla, jolloin oleellisesti hukkalämpöä tuottavat energiantuottolaitteiston osat 6, 25 7 ja 8 on sijoitettu vaippatilaan 9. Erityisesti pienehköissä tuulivoimaloissa varsinainen kotelorunko voi muodostaa seinämärakenteen, jolloin tuulivoimala-osan sisäosa muodostaa mainitun vaippatilan. Lämmön-siirtoväliaine, jonka kierto on merkitty nuolilla LK 30 piirustuksessa, tapahtuu siten, että kotelorungossa olevan aukon 11 kautta lämmönsiirtoväliaineena sopivim-: min toimiva ilma siirtyy kotelorungon sisätilaan 12 ja siitä edelleen seinämärakenteessa olevan ainakin yhden yhteen 13 kautta vaippatilaan 9, jolloin lämmön-35 siirtoväliaine joutuu lämmönsiirtoyhteyteen energiantuottolaitteiston hukkalämpöä tuottavien osien 6, 7 ja 8 kanssa. Tällöin lämmönsiirtoväliaine lämpenee ja se johdetaan ontoksi muodostetun akselin 5 sisäkana- 96134 4 van 14 kautta roottorin 3 napaan 4, jossa se jaetaan siellä olevassa jakotilassa (ei esitetty) kuhunkin roottorin 3 siipeen 3a. Kussakin siivessä 3a on virtauskanavisto 17, joka piirustuksessa on esitetty 5 katkoviivoin, jolloin lämmönsiirtoväliaine siirtyy kohti siiven 3a päätyjä, jossa on lämmönsiirtoväli-aineen virtauskanaviston 17 poistoaukko 15.In the embodiment shown in the drawing, a closed jacket space 9 is formed inside the housing body 2 by means of a wall structure 10 or the like, whereby substantially heat-generating energy generating equipment parts 6, 25 7 and 8 are housed in the housing space 9. forms said envelope space. The heat transfer medium, the circulation of which is indicated by arrows LK 30 in the drawing, takes place in such a way that air preferably acting as a heat transfer medium through the opening 11 in the housing body enters the housing body interior 12 and further through at least one wall 13 into the jacket space 9. the transfer medium comes into heat transfer contact with the waste heat generating parts 6, 7 and 8 of the energy production equipment. In this case, the heat transfer medium heats up and is passed through the inner channel 96134 4 of the hollow shaft 5 to the hub 4 of the rotor 3, where it is distributed in a distribution space (not shown) to each of the blades 3a of the rotor 3. Each vane 3a has a flow channel 17 shown in broken lines in the drawing, whereby the heat transfer medium moves towards the ends of the wing 3a with the outlet 15 of the heat transfer medium flow channel 17.

Poistoaukko, eli toinen yhde 15 on sijoitettu edul-10 lisesti roottorin 3 siivissä 3a alipainepuolelle, jolloin lämmönsiirtoväliaineen virtaus saadaan ainakin osittain syntymään alipaineen vaikutuksesta.The outlet, i.e. the second connection 15, is preferably located in the vanes 3a of the rotor 3 on the vacuum side, whereby the flow of the heat transfer medium is caused at least in part by the action of the vacuum.

Energiantuottolaitteiston yhteyteen vaippatilan 9 15 sisään on myös edullista ainakin tietyissä sovelluksis sa järjestää lisälämmityslaitteisto 16, kuten sähköinen vastusjärjestely erityisesti tarkoituksena saattaa jäätymisen estämiseen tarvittava lisäenergia lämmön-siirtoväliaineeseen tarvittaessa. Tämä vaihtoehto 20 saattaa tulla kysymykseen erityisesti silloin, kun tuulivoimala on pysähdyksissä, jolloin roottorin pyörimiseen perustuvaa alipainevaikutusta lämmönsiirto-väliaineen virtauksen synnyttämiseksi ei ole käytettävissä. Tällöin on myös luonnollisesti edullista, 25 että lämmönsiirtoväliaineen virtausreitille esim.It is also advantageous to provide an additional heating device 16, such as an electrical resistance arrangement, in connection with the energy generating equipment inside the jacket space 9 15, at least for the purpose of supplying the additional energy required to prevent freezing to the heat transfer medium. This option 20 may be particularly relevant when the wind turbine is at a standstill, in which case a vacuum effect based on the rotation of the rotor to generate the flow of the heat transfer medium is not available. In this case, it is also naturally advantageous for the heat transfer medium flow path to e.g.

virtauskanavaan 14 tai sen sisäänmenoaukon yhteyteen on järjestetty puhallin tai vastaava erityisesti tarkoituksena lämmönsiirtoväliaineen virtauksen aikaansaaminen tai sen tehostaminen.a fan or the like is provided in connection with the flow channel 14 or its inlet opening, in particular for the purpose of providing or enhancing the flow of the heat transfer medium.

3030

Siivissä 3a oleva virtauskanavisto 17 voidaan konstru-:I oida usealla eri tavalla huomioiden alan ammatti miehelle tunnetulla tavalla lämmönsiirto-ominaisuudet ja lujuus yhdessä siipiprofiilin virtausominaisuuksien 35 kanssa. Sopivana materiaalina voidaan mainita lasi-kuitulujitettu muovi. Vastaavasti myös akselin 5 yhteydessä oleva virtauskanava 14a voidaan järjestää sopivimmin ympäröimään umpinaista akselia 4 esim.The flow channel system 17 in the wings 3a can be constructed in several different ways, taking into account the heat transfer properties and strength together with the flow properties 35 of the wing profile, in a manner known to a person skilled in the art. As a suitable material, glass-fiber-reinforced plastic can be mentioned. Correspondingly, the flow channel 14a in connection with the shaft 5 can also be arranged to suitably surround the closed shaft 4, e.g.

Il 96134 5 vaippajärjestelyllä 18, joka kotelorungon 2 läpäisten olennaisesti akselin 5 suuntaisena on yhteydessä seinämärakenteen 10 tai vastaavan rajaamaan vaippa-tilaan 9 lämmönsiirtoväliaineen johtamiseksi jako-5 tilaan 19.Fig. 96134 5 by a jacket arrangement 18 which, through the housing body 2 passing substantially axially 5, communicates with the jacket space 9 delimited by the wall structure 10 or the like to conduct the heat transfer medium to the distribution space 5.

Claims

An apparatus in a wind turbine comprising a rotor (3) or a rotor (3) provided with a flow duct system (17) is arranged to rotate with a rotor (5) directed against the rotor to produce energy through the rotor. an energy production device (6-8) connected to the shaft, characterized in that the device comprises: - means (2, 11; 9, 10, 13) for transferring the waste energy arising in the energy production device in the essential part to a heat transfer means, and means (14) for transmitting heat transfer medium to the rotor (3), a flow channel system (17) or the like present in the rotor (3) or the like being used for transferring the energy of the heat transfer medium to the rotor (3). (3) structures specifically to prevent ice formation.

An apparatus in a wind turbine according to claim 1, wherein the energy production device comprises a housing body (2) formed according to flow technology, which is preferably located in the upper part of a support mast (1), one with the hub (4) of the rotor (3). ) connected shaft (5) which interferes with a gearbox (6) present in the housing (2), which in turn is connected to a generator (7) also present in the housing (2) for producing electrical energy and means (8) for ensuring the operation of the energy production device, such as the bearings and the lubrication system, characterized in that the housing body (2) is arranged substantially closed and / or that a closed casing space (9) is formed by means of a closed housing (9). 96134 wall structure (10) or the like, wherein substantially the waste energy forming parts of the energy production device (6-8) are located in the casing space (9) to bring heat transfer medium i. n Heat transferring contact with said waste energy forming parts of the energy production device (6-8).

Device in a wind turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the heat transfer medium is air and that the flow of the heat transfer medium is arranged on the flow principle, so that the flow is transferred from the fresh air to the housing (2) and thence to the the rotor (3) and further from the rotor (3) to the fresh air. 15

Device in a wind turbine according to claim 3, characterized in that a first bounce (11 and 13, respectively) has been formed in the housing body (2) and / or in the sheath space (9) limiting wall structure (10) or the like. inflow of the air acting as the heat transfer medium in connection with the waste energy forming parts (6 to 8) of the energy production device.

Device in a wind turbine according to any one of claims 1-4, characterized in that in connection with the rotor (3), in particular on the rotor (3) so-called. under pressure side, at least in some blades (3a) of the rotor (3) there is at least a second bounce (15) to form a negative pressure and thus a flow of the heat transfer medium in the flow channel system (17) of the heat transfer medium.

Device in a wind turbine according to any one of claims 1-5, characterized in that the connection to the dividing space in the rotor (3) hub (4) and thereby to the flow duct system • ·: (17) in the rotor (3) is provided by a hollow and thus a flow channel (14) comprising shaft (5) connected to the hub (4).

Device in a wind turbine according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the connection to the dividing space in the rotor (3) hub (4) and thereby to the flow channel system (17) in the rotor (3) is arranged with a flow channel (14a) located outside the shaft (5), preferably 10 surrounding the shaft (5).

Apparatus in a wind turbine according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in addition to the energy production device and to the flow of the heat transfer medium, an additional heating device (16), such as an electric resistance system, is arranged, in particular with a view to bringing add to the heat transfer medium the additional energy needed to prevent ice formation when needed. 20

Device in a wind turbine according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a fan or the like has been arranged on the flow path of the heat transfer medium with the intention of controlling or enhancing the flow of the heat transfer medium. > I 9 Ψ «J 9