NO323713B1 - Vindturbinblad - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et vindturbinblad omfattende en første og en andre elektrisk leder som strekker seg i lengderetningen av bladet, hvor det er anordnet ett eller flere elektriske varmeelementer for oppvarming av overflaten av bladet, hvor varmeelementene er koplet til den første og den andre leder.

Vindturbinder er ofte utsatt for skadende virkninger forårsaket av klimatiske forhold og naturkrefter. Generelt angår oppfinnelsen beskyttelse av vindturbiner, og nærmere bestemt angår den beskyttelse av vindturbinbladene mot skade eller uønskede virkninger forårsaket av ising på overflaten av bladene, og mot lynnedslag.

Ising av flyvinger er velkjent og et alvorlig problem av flere grunner. Isingen kan forandre den aerodynamiske profil av vingen og følgelig skade løftekapasiteten for vingen. Dessuten kan stykker av is brekke av under flygingen og dermed skade propeller eller turbinblader. For det meste er problemet med ising av flyvinger løst ved at flyet blir utsatt for sprøyting med bestemte kjemikalier før avgang.

Ising av vindturbinblader har også flere negative konsekvenser. Isingen kan også forandre vingeprofilen og følgelig de aerodynamiske egenskaper for vingen, som har en negativ virkning på virkningsgraden. I tillegg kan en ujevn ising på vindturbindblader bevirke en voldsom asymmetrisk last på vindrurbinkonstruksjonen, som kan resultere i et sammenbrudd. Endelig er stykker av is som kastes av vingene en alvorlig risiko for for eksempel bygninger og personer som er i nærheten av vindturbinen. Gjennom de senere år har dette problem øket fordi flere og flere vindturbiner plasseres på steder som har stor risiko for ising.

Ising på vindturbinblader kan fjernes ved oppvarming av overflaten av bladet, og sistnevnte kan utøves på flere måter. DE 196 21 485 beskriver et vindturbinblad som oppvarmes innvendig ved hjelp av varmluft for å tilveiebringe en avising. WO 98/53200 beskriver et vindturbinblad som kan avises ved hjelp av varmeelementer omfattende elektrisk ledende fibere. Varmelementene kan være anordnet på utsiden av eller innesluttet i vindturbindbladet. En oppvarming av overflatene resulterer i en smelting av grenseflate-bindingen mellom overflaten av vindturbinbladet og isen som dekker, på en slik måte at sistnevnte "kastes av" som flak.

Moderne vindturbiner er ofte meget store konstruksjoner som reiser seg over landskapet, og mange vindturbiner utsettes for lynnedslag hvert år. Et lynnedslag kan medføre ekstremt sterk strøm i området 10-200 kA i løpet av en meget kort periode. Skader forårsaket av lynnedslag varierer fra korte brudd i produksjonen på grunn av for eksempel utblåste sikringer, til alvorlige skader hvor ett eller flere av bladene er skadet, som igjen kan forårsake skader på hele konstruksjonen. I de senere år har det derfor blitt utviklet systemer for beskyttelse av turbiner mot lynnedslag.

WO 96/07825 beskriver et lynbeskyttelsessystem for vindturbinblader, hvor bladspissen er forsynt med en såkalt lynmottaker av elektrisk ledende materiale. Denne lynmottaker kan "fange" et lynnedslag og lede lynstrømmen nedover gjennom en lynav-leder som strekker seg i lengderetningen av bladet og som er jordet gjennom vindturbin-navet. Dette system har vist seg å gi en særlig effektiv beskyttelse.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning som på en enkel, billig og pålitelig måte beskytter et vindturbinblad mot både ising og lynnedslag.

Vindturbinbladet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det er forsynt med et lynledersystem som er kjent i seg selv, og omfattende en lynmottaker på spissen av vindturbinbladet, og en tredje elektrisk leder som er elektrisk koplet til lynmottakeren, og som er jordet ved bladroten, og at den første og andre leder er koplet via gnistgap nærliggende lynmottakeren til lynmottakeren og er jordet gjennom gnistgap ved bladroten.

Som et resultat er det oppnådd et vindturbinblad som kan avises, og hvor bladet og varmeelementene er effektivt beskyttet mot lynnedslag, hvor lynstrømmen primært blir brakt til bakken gjennom den tredje leder, og blir ved dannelse av elektriske buer i gnistgapene sekundært brakt til bakken gjennom den første og den andre leder. Potensialdifferansen over varmeelementet er hele tiden null under lynnedslaget og derfor passerer ingen skadende sterke strømmer gjennom varmeelementene.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er den første leder nærliggende bladroten koplet via en overspenningsbryter til en første strømfase, og den andre leder nærliggende bladroten er koplet til en andre strømfase via en overspenningsbryter. Som resultat oppnås en effektiv beskyttelse av strømtilførselen fordi overspennings-bryterne avbryter den elektriske forbindelse mellom strømforsyningen og henholdsvis den første og andre leder, i tilfelle av lynnedslag.

Ifølge en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen er varmeelementene anbrakt eksternt på overflaten av bladet. Som resultat er det ikke nødvendig å forandre bladkon-struksjonen fordi styrken av bladet ikke blir redusert ved en slik anbringelse.

Ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen er varmeelementene laminert inn i bladmaterialet, slik at overflateegenskapene for vindturbinbladet og følgelig de aerodynamiske egenskaper for blader forblir upåvirket.

Varmeelementene er fortrinnsvis laget av en metallfolie med det resultat at det oppnås en jevn oppvarming av overflaten av vindturbinbladet. En slik metallfolie kan også limes på overflaten av vindturbinbladet uten dermed å forandre dets aerodynamiske egenskaper.

Ifølge en utførelsesform kan den første og andre leder være anordnet i veggen av vindturbinbladet, og den tredje leder kan være innsatt i et hulrom i bladet. Som resultat sikres det et lite mellomrom mellom varmeelementene og henholdsvis den første og andre leder.

Varmeelementene er fortrinnsvis anordnet ved frontkanten av bladet fordi isingen ofte starter her under driften av vindturbinen.

Vindturbinbladet ifølge oppfinnelsen kan omfatte en svingbar spiss, hvor minst ett parti av den første og andre leder strekker seg inn i den svingbare spiss, og er koplet via fjærende kontaktdeler til partiet av den samme leder som strekker seg i det gjenværende bladparti, og hvor gnistgap kan bli tilveiebrakt parallelt med hver kontaktdel mellom to partier av den samme leder. Som resultat oppnås det en elektrisk forbindelse mellom partiene av den første og andre leder som strekker seg i henholdsvis spissen og det gjenværende blad, mens kontaktdelene samtidig blir beskyttet mot lynstrøm og følge-lig risikoen for en sammensveising fordi lynstrømmen passerer gjennom en elektrisk bue i gnistgapene. Som resultat oppnås en enkel og effektiv beskyttelse av vindturbinbladene med en svingbar spiss mot ising og lynnedslag.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et frontriss av en vindturbin, fig. 2 er et frontriss av et vindturbinblad og et vindturbinnav, fig.3 er et snittriss men i en foretrukket utførelsesform av et vindturbinblad ifølge oppfinnelsen, fig. 4 er et skjematisk riss av den foretrukne utførelsesform av et vindturbinblad ifølge oppfinnelsen, fig. 5 viser i større målestokk og nærmere detalj et parti av bladet vist på fig. 4, fig. 6 viser en spiss av et vindturbinblad ifølge oppfinnelsen, og fig. 7 viser et parti av et vindturbinblad med en svingbar spiss ifølge oppfinnelsen.

Vindturbinen vist på fig. 1 omfatter vesentlig et tårn 31, et vindturbinnav 30 og tre blader 25 som i den viste utførelsesform er forsynt med en svingbar spiss 26. Spissen 26 kan dreies 90° i forhold til det gjenværende parti av bladet og virker som en luftbrems. Fig. 2 viser i større målestokk en av vindturbinbladene 25. Partiet av bladet 25 nærliggende navet 30 er kalt bladroten 35. Under drift av vindturbinen, dreier bladet i retning av pilen 32. Kanten beliggende i front av rotasjonsretningen er kalt frontkanten 33, og kanten beliggende på baksiden i rotasjonsretningen er kalt den bakre kant 34. Fig. 3 er et snittriss etter linjen III-III på fig. 2 av vindturbinbladet. Bladet er en flyskrogkonstruksjon med et innvendig hulrom. Detaljene vist på fig. 3 skal forklares nedenfor. Fig. 4 er et skjematisk riss av en foretrukket utførelsesform av partier av et vindturbinblad ifølge oppfinnelsen. De viste partier svarer i geometrisk utstrekning til den geometriske utstrekning av vindturbinbladet, og de omfatter en lynmottaker 5 ved spissen av vindturbinbladet, en første 1, en andre 2 og en tredje 3 elektrisk leder, elektriske varmeelementer 4, fire gnistgap 7a, 7b, 9a, 9b og to overspenningsbrytere 6a, 6b. Lynmottakeren 5, det vil si lynlederen, er dannet av en metalldel vist på spissen av bladet og som er i stand til å fange et lynnedslag. Lynmottakeren 5 er jordet 20 via den elektriske leder 3. Denne jordforbindelse er naturligvis tilveiebrakt gjennom navet 30 og tårnet 31 av vindturbinen. I utførelsesformen vist på fig. 4 omfatter innretningen 3 elektriske varmeelementer 4 koplet til henholdsvis den første 1 og andre 2 leder. Den første 1 og andre 2 leder er ved roten 35 av vindturbinbladet koplet via overspenningsbrytere 6a, 6b til et henholdsvis en første strømfase 37a, og en andre strømfase 37b av en trefase AC tilførsel, og via gnistgap 9a, 9b er de koplet til jord. Når spenning føres til stedene 37a, 37b vil strøm passere gjennom de elektriske varmeelementer 4 som igjen varmer overflaten av vindturbinbladet og smelter grenseflaten bundet mellom overflaten og mulige isbelegg. Som resultat blir isbelegget kastet av. Ved spissen av vindturbinbladet er det tilveiebrakt gnistgap 7a, 7b mellom henholdsvis den første 1 og den andre 2 leder, og lynmottakeren 5.1 tilfelle av lynnedslag blir lynstrømmen transportert direkte fra lynmottakeren via den tredje 3 leder og til jord. En elektrisk bue blir imidlertid hurtig generert i gnistgapene 7a, 7b, 9a, 9b mellom lynmottakeren 5 og henholdsvis den første 1 og den andre 2 leder, og mellom henholdsvis den første 1 og andre 2 leder og jord, med det resultat at lynstrømmen også bringes til jord gjennom den første og den andre leder. Lynstrømmen transportert gjennom den primære tredje leder 3 er imidlertid betydelig mer omfattende enn lynstrømmen som passerer gjennom den første 1 og andre 2 leder. Den forholdsvis sterke lynstrøm gjennom den første 1 og den andre 2 leder har den virkning at overspenningsbryteme 6a, 6b avbryter forbindelsen mellom kraft-tilførselen 37a, 37b og de to ledere 1, 2. En riktig og jevn oppbygning av gnistgapene og den første 1 og den andre 2 leder sikrer at et jevnt potensialfall påføres nedover gjennom den første 1 og den andre 2 leder, og dermed passerer ingen skadelige sterke strømmer gjennom oppvarmingselementene. Med andre ord fordeles den totale lynstrøm blant de tre ledere 1, 2, 3, og en skadelig oppvarming av bladmaterialet og oppvarmingselementene på grunn av lynnedslaget kan dermed unngås. Fig. 5 viser i større målestokk et parti av bladet vist på fig. 4. Varmeelementene 4 er dannet av tynne metallfolier som kan lede elektrisk strøm og gi en passende elektrisk motstand. Som et alternativ kan varmeelementene omfatte elektrisk ledende karbonfibere. Avslutningene mellom varmeelementene 4 og den første 1 og den andre 2 leder er her uført ved hjelp av små plateformede elektrisk ledende deler 9 og nagler 10. Som et alternativ kan de plateformede deler 9 være sveiset på lederne 1, 2, og kantene av varmeelementene 4. Begge festemetodene er fordelaktige ved å være mulige fra bare en side, så som fra yttersiden av bladet. Fig. 6 viser en bladspiss og gnistgapet 7b mellom lynmottakeren 5 og den andre leder 2. Gnistgapet er her dannet som en sirkulær konkav flate ved enden av lederen 2, hvor flaten delvis omgir en stamformet del 40 på lynmottakeren S. Fig. 7 er et snittriss av et blad med en svingbar spiss 26. Spissen 26 kan dreies om dens lengdeakse i forhold til det gjenværende blad 27. Svingeforbindelsen mellom spissen 26 og det gjenværende blad 27 er tilveiebrakt ved hjelp av en aksel 14, typisk en karbonfiberaksel, på en måte som er kjent i seg selv og som derfor ikke skal beskrives nærmere her. Den elektriske forbindelse mellom partiet av lederne 1, 2 anbrakt i spissen 26 og partiet av lederne 1, 2 anbrakt i det gjenværende parti 27 av bladet er vesentlig ved hjelp av fjærene kontaktdeler 15. Fig. 7 viser bare den andre leder 2. På tegningen er spissen 26 og følgelig kontaktdelen 5 trukket bort fra det gjenværende parti av bladet av klarhetsgrunner. Selv om det ikke er vist på tegningen så er det tilveiebrakt et gnistgap mellom de to partier av lederne 1,2.1 tilfelle av lynnedslag blir en elektrisk bue generert i dette gnistgapet med det resultat at lynstrømmen kan bringes fra spissen til jorden rundt kontaktdelene, som derfor ikke er sveiset sammen på grunn av for sterk oppvarming. Den tredje elektriske leder 3 vises ikke på fig. 7, men den strekker seg innvendig i akselen 14. Den tredje leder 3 kan være dannet av en vaier kjent i seg selv som anvendes for regulering av spissen 26.

Varmeelementer 4 kan enten være laminert inn i veggene i vindturbinbladet eller være eksternt montert på overflaten, jevnfør fig. 3. I det siste tilfelle er det mulig å montere varmeelementene 4 i en størrelse og antall som svarer til overflatearealet av bladet som ønskes å bli oppvarmet. Frontkanten 33 av bladet er ofte særlig utsatt ising, og på fig. 3 er denne frontkant 3 forsynt med varmeelementer 4, men et hvert parti eller partier av overflaten kan være forsynt med varmeelementer 4. På fig. 3 er disse varmeelementer 4 tegnet ukorrekt av klarhetsgrunner. De kan være så tynne at de i praksis ikke gjør noen forandring av overflateprofilen. Både i tilfelle hvor varmeelementene 4 er laminert inn i veggen 13 av vindturbinbladet og i tilfelle hvor varmeelementene er montert eksternt på vindturbinbladene, sikrer den modulære struktur at det er mulig å tilpasse hver vindturbin til de aktuelle klimatiske forhold.

Den første 1 og andre 2 leder kan være anordnet på utsiden av overflaten av bladet eller være innesluttet i bladveggen 13. I utførelsesformen vist på fig. 3 er det anordnet i utsparinger i overflaten. Den første 1 og den andre 2 leder er fortrinnsvis laget av metall, men de kan også være laget av karbonfibermateriale valgfritt med metall-overtrukket karbonfibere.

Spenningsfallene over både lederen 3 anordnet inne i vindturbinbladet, jevnfør fig. 3, og de to ledere 1, 2 anordnet på omkretsen gir den samme spenning over delstrek-ninger når de er opprettet riktig, det vil si med den samme induktans. Som resultat er det mulig å utelate spenningsutlevninger, og det sikres at spenningsforskjellen over varmeelementene 4 hele tiden er null under et lynnedslag slik at ingen skadelig sterk strøm passerer gjennom varmeelementene 4.

Et bryterrelé (ikke vist) kan være koplet mellom det avsluttende sted 37a, 37b og krafttilførselen. Dette relé kan være koplet til en issensor i overflaten av vindturbinbladet, slik at releet danner en elektrisk forbindelse mellom krafttilførselen og lederen 1,2 når is-sensoren påviser is.

Krafttilførselen er koplet til de avsluttende steder 37a, 37b, jfr. fig. 4, og kan være enten en DC eller en AC krafttilførsel. Krafttilførselen kan være enten vindtur-binens primære krafttilførsel eller være sekundære krafttilførsler anordnet i toppen eller bunnen av turbinen, eller kan rotere med bladene på innsiden av bladene eller innsiden av navet.

De elektriske ledere kan videre tilføre kraft for sekundære formål, så som for oppvarming av akselrør inne i blader med en spiss, eller for temperatursensorer og send-ere av enhver type som krever energi for behandling av signaler, og hvorfra signaler sendes nedover inn i turbinen ved hjelp av annen teknikk, så som radiobølger, laserlys eller optiske fibere.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de ovenfor nevnte utførelsesformer.

Claims (8)

1. Vindturbinblad omfattende en første (1) og en andre (2) elektrisk leder som strekker seg i lengderetningen av bladet (25), ett eller flere elektriske varmeelementer (4) for oppvarming av overflaten av bladet, hvor varmeelementene (4) er koplet til den første (1) og den andre (2) leder, karakterisert ved at vindturbinbladet er forsynt med et lynledersystem kjent i seg selv, og omfattende en lynmottaker (5) ved spissen av vindturbinbladet, og en tredje (3) elektrisk leder som er elektrisk koplet til lynmottakeren (5) og som er jordet ved bladroten, og den første (1) og den andre (2) leder er koplet via gnistgap (7a, 7b) nærliggende lynmottakeren (5) til lynmottakeren og er jordet via gnistgap (9a, 9b) ved bladroten.

2. Vindturbinblad ifølge krav 1, karakterisert ved at den første leder (1) nærliggende bladroten er koplet via en overspenningsbryter (6a) til en første strømfase (37a), og den andre leder (2) nærliggende bladroten er koplet til en andre strømfase (37b) via en overspenningsbryter (6b).

3. Vindturbinblad ifølge foregående krav, karakterisert ved at varmeelementene (4) er anordnet eksternt på overflaten av vindturbinbladet (25).

4. Vindturbinblad ifølge foregående krav, karakterisert ved at varmeelementene (4) er laminert inn i veggen (13) av bladet.

5. Vindturbinblad ifølge foregående krav, karakterisert ved at varmeelementene (4) er laget av metallfolie.

6. Vindturbinblad ifølge foregående krav, karakterisert ved at den første (1) og den andre (2) leder er anordnet i veggen (13) av vindturbinbladet, og den tredje leder (3) er innsatt i et hulrom i bladet.

7. Vindturbinblad ifølge foregående krav, karakterisert ved at varmeelementene (4) er anordnet i frontkanten av bladet (25).

8. Vindturbinblad ifølge foregående krav, karakterisert ved at det omfatter en svingbar spiss (26) kjent i seg selv, og at minst ett parti av den første og andre leder (1,2) strekker seg i den svingbare spiss (26) og er koplet til partiet av den samme leder (1,2) som strekker seg i det gjenværende bladparti (27) gjennom fjærene kontaktdeler (15), og at det er tilveiebrakt gnistgap parallelt med hver av disse kontaktdeler (15) mellom de to partier av den samme leder (1,2).