NO315154B1 - Fremgangsmåte for bekjempelse av isdannelse på airfoilvinger av komposittmateriale og vindmölle med möllevinger av komposittmateriale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for bekjempelse av isdannelse på airfoilvinger av komposittmateriale og en vindmølle med møllevinger av komposittmateriale.

I forbindelse med vindmøller mange steder i verden er det et kjent fenomen at vind-møllevingene kan ise til, hvorved effekten av møllen forringes dramatisk på grunn av den tilhørende endringen av vingeprofilen. Spesielt hvor betingelsene for isdannelse i form av lave temperaturer og høy luftfuktighet eller direkte nedbør er til stede, utgjør isdannelsen på møllevingene et stort problem, og i visse områder kan disse betingelsene være til stede opptil 100 dager pr. år.

Analoge problemer er kjent fra luftfarten. Isingen opptrer spesielt når vingen er i bevegelse, og spesielt på forkanten av vingen. Dette kan være meget kritisk, fordi formen ved forkanten av en airfoilvinge i stor grad påvirker de aerodynamiske egen-skapene for vingen. Følgelig kan effekten av en vindmøllevinge reduseres med 40-50 % med et islag på vare 2 cm. Som følge av isbelegging av en eller flere vinger av en vind-møllerotor kan ubalanse opptre i rotoren, spesielt dersom is faller av fra vingen under drift. Dette kan medføre betydelig skade på møllen på grunn av ubalansen, og isstykker som faller av kan forårsake skade på personer, dyr og utstyr som befinner seg nær møllen. Ved en stasjonær vinge kan hele overflaten ise til, med de samme sannsynlige konsekvensene til følge.

Deter derfor gjort mange forsøk på å løse eller i det minste redusere problemene med hensyn til ising av vindmøllevinger, det har i denne forbindelse også vært skjelet til analoge problemer og løsninger innenfor luftfartsfeltet.

Det er således utført forsøk på å bevirke avising av vindmøllevinger ved å anvende en varmefolie på vingenes forkant. Med dette prinsippet, som også er kjent fra avisings-systemer for flyvinger, plasseres varmefolien enten ved utsiden av vingen eller som et lamineringslag i vingeskall-materialet eller på innsiden av dette. Denne typen oppvarming krever stor energi, fordi vingen utsettes for omfattende avkjøling; tuppen av en vindmøllevinge kan følgelig bevege seg med en hastighet på mer enn 60 m pr. sekund. Oppvarmingen kan være anordnet i seksjoner, slik at bare deler av vingen oppvarmes, for å kompensere for det høye energiforbruket, som et eksempel kan det nevnes at den påkrevde energien for en seksjonsvis oppvarming av en 600 kW vindmølle er ca. 20 kW.

Også andre løsninger er utprøvet, innbefattende oppblåsbare gummi-forkanter og spesielle overflatebehandlinger, men hittil uten spesielt fordelaktige resultater.

US-patent 5.074.497 beskriver en fremgangsmåte for fjernelse av is fra vingeprofiler ved hjelp av deformasjon av vingens overflate. Ved hjelp av en generator for en elektromagnetisk puls induseres en spenning og dermed en strøm i deformasjonselementene og ved frastøtning beveges deformasjonselementene så isen løsnes. Det benyttes på ingen måte mikrobølger til fjernelse av isen.

Fra US-A-4 060 212 er det kjent å bevirke en avising av rotoblader på helikoptere ved hjelp av mikrobølger, idet disse fra en sentralt plassert generator transmitteres til overflaten av de roterende bladene, hvor bølgene bringes til å forløpe utover ved indre refleksjoner i islaget, som derved oppvarmes tilstrekkelig til å frigjøres fra bladover-flaten. Denne løsningen er uegnet for store vindmøller og for store møllevinger av komposittmateriale.

US-patent 5.061.836 beskriver en fremgangsmåte for fjernelse av is fra roterende luftskruer ved hjelp av mikrobølger som utstråles fra mikrobølgegeneratorer som er fast anbrakt på den bærende konstruksjonen. Når skruebladene passerer mikrobølgestrålene skjer en lokal oppvarming som løsner isen.

I forbindelse med oppfinnelsen er det imidlertid funnet at det er fordelaktig å anvende mikrobølger for dette formålet, om enn basert på et annet virkningsprinsipp, og med en annen plassering av bølgegeneratoren, det vil si med medroterende generatorer montert direkte i vingene, fortrinnsvis på en stasjonær måte. Det er funnet at de aktuelle komposittmaterialene i realiteten kan oppvarmes ved mikrobølgeenergi, nærmest bedre enn et islag, og på denne bakgrunnen er det mulig å søke en mer ideell løsning enn en avising, det vil si en anti-ising, hvorved vingematerialet under relevante, kritiske klimatiske betingelser oppvarmes for å motvirke en innledende isdannelse. Idet vingen er fremstilt som en skall-konstruksjon, er det gode betingelser for å tilføre den påkrevde energien fra innsiden.

Oppfinnelsen angår følgelig en fremgangsmåte for bekjempelse av isdannelse på airfoilvinger av komposittmateriale, kjennetegnet ved at det under forhold som betinger isdannelse bevirkes en oppvarming av komposittmaterialet selv ved hjelp av energi fra en eller flere mikrobølgegeneratorer som er bygget inn i vingen.

Videre omfatter oppfinnelsen en vindmølle med møllevinger av komposittmateriale, kjennetegnet ved at vingene 2 er utstyrt med medroterende, innebygde mikrobølge-generatorer 6,6' for lett oppvarming av selve komposittmaterialet ved hjelp av mikrobølgeenergi.

Det bør bemerkes at de kritiske tilstandene bare finner sted ved nærbær av fuktighet eller vann, eller i et smalt temperaturområde like under frysepunktet, hvor en under-kjøling er mulig, og av denne grunnen er det bare påkrevet å heve overflatetempeaturen få grader når disse betingelsene opptrer. Det er følgelig mulig å unngå å anvende ytterligere energi for å frembringe den påkrevde smeltevarmen i isen, og også farene forbundet med avkasting av løsnede isklumper.

Ved oppfinnelsen er det funnet hensiktsmessig generelt å anvende mikrobølge-generatorer av typen som er utviklet for husholdnings-mikrobølgeovner. Generelt vil disse generatome være for små, men de er relativt billige på grunn av høye produksjons-tall, og det er direkte fordelaktig å anvende det påkrevde antallet av dem i hver vinge, fordi dette kan bidra til en egnet fordeling av energien, når de er plassert på forskjellige steder, og de kan også aktiveres selektivt i henhold til behovene.

I forbindelse med oppfinnelsen kan det være fordelaktig at minst deler av vingeoverflaten er belagt med et materiale, så som hønsenett, som vil virke reflekterende på mikrobølgene og kan males over for å tilveiebringe egnet glatthet av vingeoverflaten. Mikrobølgene viser en relativt god penetrering i komposittmaterialet og kan følgelig reflekteres et større antall ganger gjennom vingeskallet mellom egnede reflektor-overflater. Dette medfører også at med en passende innfallsstyring av bølgeretningen vil det ofte kunne oppnås en fordeling av bølgeenergien fra en generator montert ved roten av vingen hele veien ut til vingetuppen.

Systemet skal ikke nødvendigvis være dimensjonert for å være effektivt selv under de mest ekstreme forhold, f.eks. i forbindelse med kraftig isslag, i og med at det fremdeles er anvendelig for fritining av et mulig isbelegg.

I det følgende skal oppfinnelsen beskrives i større deltalj under henvisning til tegningen, hvori: Fig. 1 viser en vindmølle med et anti-isingssystem i henhold til den første utførelsesformen av oppfinnelsen;

fig. 2 viser en vinge utstyrt med mikrobølgegenerator;

fig. 3 og 4 viser mulige plasseringer av mikrobølgegeneratorer i forhold til vingen fig. 5 viser en plassering av generatorer ved roten av vingen.

Figur 1 viser en vindmølle hvori et oppvarmingssystem basert på mikrobølger er montert. Mikrobølgeutstyret innbefatter et antall mikrobølgegeneratorer 6 montert på eller i vingene 2.1 en foretrukket utførelsesform kan et antall slike generatorer 6,6' bygges inn i vingen, som vist i figurene 2 og 3. Generatorene 6' kan fordelaktig tilveiebringes langs forkantene av vingen 2 for en konsentrert oppvarming av forkantområdet. Generatorene 6 kan naturligvis også være plassert andre steder på vingen 2, som eksemplifisert i figurene 2, 3 og 4.

Vingen kan oppvarmes i seksjoner når flere mikrobølgegeneratorer 6,6' er montert i vingen. Eventuelt kan systemet være utformet slik at hver seksjon innbefatter en eller flere generatorer 6,6' som, via et kontrollsystem, samvirker med ikke-viste fuktighets-og temperaturdetektorer som også er montert i vingen, slik at bare slike deler oppvarmes hvor en ising kan finne sted. Herved oppnås en differensiert behovsstyrt oppvarming av vingeoverflatedeler med et minimalt forbruk av energi.

Mikrobølgegeneratorne 6,6' er forbundet via koaksialkabler 8 og en ikke-vist anordning for overføring av effekten til generatorne fra en sentral energikilde. Det aktuelle arrangementet for energioverføring kan være et antall glidesko ved møllens hovedaksel, forbundet til generatorne via kablene og samvirkende med en eller flere kontaktringer tilveiebragt i møllens nav. Kablene 8 bør fortrinnsvis være anordnet nær den nøytrale aksen 16 av vingen, som en sikkerhetsforholdsregel mot tretthetsbrudd i kablene 8, som følge av utbøyninger i vingen 2. Kablene kan eventuelt anbringes inne i de langsgående hovedbjelker 14 i vingen 2.

Ved en vinge som vist i tverrsnitt i figur 3 er mikrobølgegeneratorene 6 innebygget i vingen. I figur 4 er generatorene 6 alternativt montert ved utsiden av vingen, med egnede aerodynamiske arskjerminger 12, slik at luftmotstanden av vingen ikke blir for høy og effektiviteten følgelig for lav.

I forbindelse med oppvarmingen av vingene 2 kan møllen også innbefatte en mikro-bølgelgenerator 6" for oppvarming av måleutstyret 10 av møllen, se figur 1.

I figur 5 er den innerste delen av møllevingen 2 vist, delvis i oppskåret tilstand. Som det fremgår er det ved vingeroten anordnet et antall mikrobølgegeneratorer 6, hver med deres utløpshorn 7 rettet utover i vingen. Ved monteringen kan det for god utnyttelse av energien fra generatorne være nødvendig å utføre en nøyaktig innjustering av hom-retningene under hensyn til de refleksjonsforhold som opptrer i vingen. Imidlertid er det også mulig å gjøre bruk av egentlige bølgeledere for fordeling av energi til den ytre endedelen av vingen.

Det skal nevnes at kabelen S vist i figur 2 kan inngå i et lynavledningssystem.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for bekjempelse av isdannelse på airfoilvinger av komposittmateriale, karakterisert ved at det under forhold som betinger isdannelse bevirkes en oppvarming av komposittmaterialet selv ved hjelp av energi fra en eller flere mikrobølgegeneratorer som er bygget inn i vingen.

2. Vindmølle med møllevinger av komposittmateriale, karakterisert ved at vingene (2) er utstyrt med medroterende, innebygde mikrobølgegeneratorer (6,6') for lett oppvarming av selve komposittmaterialet ved hjelp av mikrobølgeenergi.

3. Vindmølle ifølge krav 2, karakterisert ved at den er utstyrt for selektiv innkobling av forskjellige plasserte generatorer (6,6').

4. Vindmølle ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at hver vinge er utstyrt med et antall indre mikrobølgegeneratorer (6,6'), og at vingeoverflaten og eventuelt også visse indre overflatedeler i vingen er i det minste delvis dekket med et mikrobølgereflekterende materiale.

5. Vindmølle ifølge et eller flere av kravene 2-4, karakterisert v e d at hver vinge er utstyrt med et stort antall mikrobølgegeneratorer (6,6') av typen som anvendes i mikrobølgeovner til husholdningsbruk.