NO324933B1 - Vindenergianlegg - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et vindenergianlegg. Slike vindenergianlegg av moderne type, eksempelvis av type E-40 eller E-66 fra firmaet Enercon, er som regel utstyrt med et lynbeskyttelsessystem som eksempelvis er kjent fra DE 44 36 290, DE 19 826 086, DE 195 01 267, DE 44 45 899, WO 00/14405 eller WO 96/07825. Fra DE 44 46 197 er det kjent et vindenergianlegg med en lynbeskyttelsesinnretning ifølge innledningen til patentkrav 21.

Ved slike kjente lynbeskyttelsessystemer som beskrevet ovenfor kan da, når rotorbladet er atskilt galvanisk fra navet, det aktuelle rotorblad lades opp statisk. Denne elektrostatiske oppladningen av et rotorblad oppstår gjennom luftfriksjonen til de roterende rotorbladene på rotoren i et vindenergianlegg. Alt etter luftfuktigheten hhv andre ugunstige klimapåvirkninger lades rotorbladene (hhv deres lynbeskyttelsessystemer) raskere eller langsommere opp. Den statiske oppladningen foregår så lenge at overslagsspenningen for luftstrekningen blir nådd. Da foregår overslaget og hele systemet hhv rotorbladene blir utladet. Et slikt overslag danner elektromagnetiske bølger (EMV) med en ekstremt stor båndbredde, fordi overslaget nærmest foregår i form av en impuls som ideelt sett råder over en ekstrem båndbredde (ideelt sett over en uendelig båndbredde). Disse slaglignende utladningene som ikke stammer fra et lynnedslag på grunn av tordenvær, men fra den elektrostatiske oppladningen av rotoren, forstyrrer hele elektronikken i vindenergianlegget som befinner i omgivelsene til overslaget, som f.eks. computere eller mikroprosessorer som styrer og regulerer et enkelt rotorblad. Men også andre elektroniske innretninger i vindenergianlegget som befinner seg i gondolen eller i nærheten av gnistoverslagsstrekningen, blir berørt. Gjennom oppladningen av de roterende rotorbladene kommer det regelmessig til overslag på gniststrekningen med likeså regelmessige forstyrrelser av elektronikken, noe som for beskyttelsen av alle de elektronisk anleggsinnretningene ikke er ønsket.

Det er oppgaven til den foreliggende oppfinnelsen å unngå de foran nevnte ulempene og spesielt å minimere antall forstyrrelser på elektronikken på grunn av overslag på gniststrekningen.

Oppgaven blir løst ved hjelp av et vindenergianlegg med særtrekkene ifølge krav 1 hhv. 21. Fordelaktige videreutviklinger er beskrevet i underkravene.

Oppfinnelsen er basert på forslaget om å utlade de elektrostatiske ladningene i rotorbladene kontinuerlig. Det må her tas hensyn til at spenningen over gniststrekningen kort før et overslag alt etter fuktigheten lett kan oppnå 20 til 30 kV. Følgelig må innretningen for kontinuerlig utladning (utladningskopling) av rotorbladene i alt vesentlig oppfylle to betingelser, nemlig for det første må den kontinuerlige utladningsstrekningen være så lavohmig at en statisk oppladning av rotorbladene blir unngått og for det andre må den være i stand til å motstå en støtspenning av størrelsen 30 kV og mer (slike støtspenninger innstiller seg ved lynnedslag).

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, der

fig. 1 viser en seriekopling av en ohmsk motstand og en induktivitet,

fig. 2 viser en utførelse av oppfinnelsen med fem seriekoplede, viklede metalltrådmotstander,

fig. 3 viser et sideriss/et delsnitt gjennom et vindenergianlegg ifølge oppfinnelsen, fig. 4 viser en forstørret fremstilling av utsnittet III på fig. 3,

fig. 5 viser et ytterligere forstørret detaljriss fra fig. 3, og

fig. 6 viser et detaljriss fra området V på fig. 3.

Det er spesielt hensiktsmessig når innretningen for kontinuerlig utladning av elektrostatisk ladning på rotorbladene består av en utladningskopling som har en seriekopling av en ohmsk avledningsmotstand 1 og en induktivitet 2. Dette er vist i figur 1. Her har avledningsmotstanden fortrinnsvis en verdi på ca. 50 kQ og induktiviteten fortrinnsvis en verdi på 10 jjH eller mer.

Under den statiske utladningen av rotorbladene er induktiviteten 2 ikke i funksjon da avledningsstrømmen representerer en likestrøm med meget liten amplitude. Dermed er hvert rotorblad for den statiske utladningen forbundet med en motstand på 50 kQ med jordpotensial når koplingen som er vist i figur 1 forbinder et rotorblad med jordforbindelsen for jordpotensialet.

I tilfelle av et lynnedslag (på grunn av et uvær) stiger spenningen for gniststrekningen (utladningskoplingen ifølge figur 1) meget sterkt. Størrelsen på spenningen er avhengig av avstanden, krumningsradien til kontaktspissene og luftfuktigheten. Induktiviteten 2 begrenser nå økningen av strømmen som flyter gjennom den statiske avlederen (R + L). Derved er det dannet en tilstrekkelig passiv beskyttelse for avledningsmotstanden.

Spesielt fordelaktig er det når den ohmske motstanden 1 blir dannet av en metalltrådsmotstand, og når denne samtidig er viklet opp kan den ohmske motstanden og også induktiviteten utformes meget plassbesparende. Dette er vist i figur 2. Her er det vist fem seriekoplede, viklede metalltrådsmotstander som råder over passende tilledninger.

Utformingen av en viklet metalltrådsmotstand har den fordelen at det blir en jevn spenningsfordeling over hele lengden av motstandene.

En ytterligere fordel ved utformingen ifølge oppfinnelsen består i en meget enkel løsning som allikevel sikrer en meget virksom beskyttelse for all elektronikken i vindenergianlegget og tillater en slaglignende (støtlignende) utladning av elektrostatiske ladninger ved hjelp av den beskrevne statikkavlederen.

Statikkavlederen (innretningen for kontinuerlig utladning av elektrostatisk ladning) består til sist av en enkel elektrisk impedans med en ohmsk og en induktiv komponent, og statikkavlederen er anordnet parallelt med gniststrekningen.

Figur 3 viser anordningen av statikkavlederen ifølge oppfinnelsen i et vindenergianlegg. Vindenergianlegget som er vist her har en maskinbærer som opptar et rotornav som rotorblad er anordnet på, og også en generator som er koplet til rotornavet. Maskinbæreren 14 er anordnet på et tårn 3 dreibart om en loddrett akse. Tårnet 3 er forankret i et fundament 4. For oversikten er det vist et rotorblad 5. Spissen på rotorbladet 5 er utformet som aluminiumsformdel 6. På rotorbladroten 24 er det anordnet en aluminiumsring 8 som løper rundt hele rotorbladroten. Stangformede ledeelementer 7 som forløper i forkanten og på bakkanten av rotorbladet, forbinder aluminiumsformdelen 6 i spissen elektrisk ledende med aluminiumsringen 8 som er anordnet på rotorbladroten 24.

I området for rotorbladroten 24 er det på høyde med aluminiumsringen 8 anordnet en lynavlederstang 9 som lynavlederorgan. Lynavlederstangen 9 er via et overledningsfremspring 11 anordnet i en forutbestemt avstand, f.eks. 3 mm, fra en elektrisk ledende avledningsring 10. Med den frie enden som vender bort fra overledningsfremspringet 11 er lynavlederstangen 9 anordnet i en forutbestemt, omtrent like stor avstand fra aluminiumsringen 8.

Den jordete avledningsringen 10 er anordnet koaksialt med rotorakselen. Dermed er tilnærmingen til overledningsfremspringet 11 sikret under den fullstendige omdreiningen av rotorbladet 5.

Maskinbæreren 14 overrages av en ytterligere lynavlederstang 12 som er koplet til maskinbæreren 14 med en elektrisk ledende forbindelse 13.

Mellom aluminiumsringen 8 og bladadapteren er statikkavlederen ledende anordnet. Via denne kan den statiske avledningen til rotorbladene foregå slik som beskrevet foran.

Utsnittet III i figur 3 er vist i forstørret form i figur 4.

Her er den horisontale aluminiumsringen 8 bare i avsnitt ført rundt rotorbladroten. Den nedre enden av ledeelementet 7 i den viste støtteinnretningen er forbundet elektrisk ledende med aluminiumsringen 8. Den elektrisk ledende lynavledningsveien mellom aluminiumsringen 8 og avledningsringen 10 opprettes med lynavlederstangen 9, som med klemmer el. lign. er festet liggende vannrett på rotornavkledningen 15 av elektrisk ikkeledende materiale, og som derved dreier med rotorbladet 5. I den enden av lynavlederstangen 9 som vender bort fra rotorbladet 5 er det anordnet en kryssforbinder 16 som forbinder lynavlederstangen 9 med overledningsfremspringet 11. Overledningsfremspringet 11 er loddrett gjennom rotornavkledningen 15 anordnet i en bestemt avstand fra avledningsringen 10.

Fremstillingen i figur 5 tydeliggjør også at avledningsringen 10 i området for tilnærmingen til overledningsfremspringet 11 på høyde med kryssforbinderen 16 har en forutbestemt lynavledningsvei 17 i form av en mindre lakksjikttykkelse. Figur 5 viser også at aluminiumsringen 8 er ført halvsirkelformet rundt rotorbladroten 24 for å forbinde de to ledeelementene 7 med hverandre og for ved de mulige vinkelinnstillinger av rotorbladet å sikre en elektrisk virksom forbindelse med lynavlederstangen 9. Lynavlederstangen 9 har i den frie enden 25 som er anordnet i en forutbestemt avstand fra aluminiumsringen 8, en kjegleformet spiss som forhøyer feltstyrken sammenlignet med omgivelsene.

Figur 6 viser en elektrisk ledende forbindelse mellom maskinbæreren 14 og det øvre området av tårnet 3. I dette området av tårnet 3 er en friksjonsskive 20 som ligger vannrett anordnet koaksialt med omdreiningsaksen til maskinbæreren 14. Maskinbæreren 14 har i et område som vender mot tårnet 3 et lynavlederelement som er utformet som en støtstang 19 som påvirkes av et presstrykk. Denne støtstangen 19 er i dette området loddrett anordnet på maskinbæreren, slik at den trykker på friksjonsskiven 20 og dermed oppretter en elektrisk ledende forbindelse. Også ved dreininger av maskinbæreren 14 består denne forbindelsen fortsatt på grunn av det slepende anlegget.

Et lyn som slår ned i vindenergianlegget blir avledet på følgende måte:

Et lyn som slår ned i et rotorblad 5 blir først avledet til maskinbæreren 14. Utgående fra aluminiumsformdelen 6 eller et ledeelement 7 blir lynet ledet bort via ledeelementet 7 til aluminiumsringen 8. Uavhengig av rotorbladvinkelen i øyeblikket blir lynet ledet over fra aluminiumsringen 8 gjennom lynavlederstangen 9 til avledningsringen 10. Over den forutbestemte lynavledningsveien 17 på avledningsringen 10 blir lynet over en ledende forbindelse som ikke er vist ledet inn i maskinbæreren 14.

Et lyn som slår ned i den ytterligere lynavlederstangen 12 blir over forbindelsen

13 likeledes ledet inn i maskinbæreren 14.

Lynavledningen fra maskinbæreren 14 til tårnet 3 foregår over støtstangen 19 som befinner seg i slepende anlegg, og friksjonsskiven 20. Lynavledningen er dermed også sikret uavhengig av omdreiningsstillingen til maskinbæreren 14 i øyeblikket.

Den videre lynavledningen foregår via tårnet 3, fundamentet 4 og ringj ordingen 27 som løper ned i bakken.

Som beskrevet viser oppfinnelsen hvordan det på den ene siden på fremragende måte kan foregå en kontinuerlig utladning av eletrostatiske ladninger fra et rotorblad, men på den andre siden også hvordan lynnedslag i rotorbladet kan bli ledet bort uten å forårsake skader på vindenergianlegget. Mens de elektrostatiske ladningene bortledes direkte via statikkavlederen og via navet, blir ladninger som stammer fra et lynnedslag ledet bort forbi navet, spesielt forbi lageret til navet. Ledningene for elektrostatiske ladninger og også lynstrømmer fra rotorbladspissen frem til bladrotområdet kan være de samme. For beskyttelse av vindenergianlegget må det imidlertid sørges for at lynnedslag ikke blir ført over navet hhv lageret til navet.

Oppdelingen av de forskjellige ladningsveiene for på den ene siden den elektrostatiske ladningen og lynstrømmer på den andre siden er ytterst effektiv og kunne ved vindenergianlegg testes meget vellykket. Kostnaden er alt i alt liten.

Med oppfinnelsen er det mulig at forstyrrelser, som på den ene siden kan stamme fra elektrostatisk oppladning av rotorbladene eller også fra lynnedslag, kan bli tydelig redusert. Den spesielle kombinasjonen av avledningen av elektrostatiske strømmer og lynstrømmene over forskjellige ledningsveier har vist seg som svært vellykket i flere anlegg.

Claims (21)

1. Vindenergianlegg med en innretning for kontinuerlig utladning av elektrostatisk ladning fra minst ett rotorblad (5) i vindenergianlegget, hvor innretningen for kontinuerlig utladning består av en seriekopling av en ohmsk motstand (1) og en induktivitet (2), og koplingen forbinder rotorbladet (5) elektrisk med en jordings-forbindelse (27).

2. Vindenergianlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at innretningen for kontinuerlig utladning er koplet parallelt med et gnistgap i et lynbeskyttelsessystem for vindenergianlegget.

3. Vindenergianlegg ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den ohmske motstand (1) har en motstand på minst 10 kQ fortrinnsvis 50 kfi.

4. Vindenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at induktiviteten (2) er minst 2uH, fortrinnsvis større enn 10 uH.

5. Vindenergianlegg ifølge ett av foregående krav, karakterisert ved at induktiviteten (2) består av en viklet metalltrådmotstand (la).

6. Vindenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den ohmske motstand (1) består av en metalltrådmotstand.

7. Vindenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at innretningen for kontinuerlig utladning av elektrostatisk ladning på den ene side er elektrisk forbundet med rotorbladets (5) elektriske lynavlederforbindelse (8), og på den annen side med rotorbladets forbindelse (bladadapter).

8. Vindenergianlegg ifølge krav 7, karakterisert ved at ladninger som bortledes via innretningen for kontinuerlig utladning av elektrostatisk ladning, bortledes via vindenergianleggets nav.

9. Vindenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved en maskinbærer som er dreibart anordnet på et fundament, med en på maskinbæreren lagret rotoraksel med et rotornav, med minst ett rotorblad og med en lynbeskyttelsesoverledning fra rotorbladene til en faststående, elektrisk ledende byggedel av maskinbæreren som er jordet, idet lynbeskyttelsesoverledningen er utformet som et i området for rotorbladroten (24) i en isolasjonsavstand til rotornavet anordnet, med rotorbladroten (24) i elektrisk virkeforbindelse stående lynavledningsorgan som oppviser et overledningsfremspring (11) som befinner seg på en forutbestemt avstand fra den faste, elektrisk ledende byggedel av maskinbæreren (14).

10. Vindenergianlegg ifølge krav 9, karakterisert ved at lynavledningsorganet er en lynavlederstang (9).

11. Vindenergianlegg ifølge krav 9 eller 10, karakterisert ved at den faststående, elektrisk ledende byggedel av maskinbæreren (14) er en koaksialt i forhold til rotorakselen anordnet avledningsring (10), og at denne i det området som vender mot overledningsfremspringet (11), oppviser en forutbestemt lynavledningsvei (17).

12. Vindenergianlegg ifølge krav 10, karakterisert ved at lynavlederstangen (9) med sin frie ende (25) som vender bort fra overledningsfremspringet (11), er anordnet på en forutbestemt avstand fra et på rotorbladroten (24) anordnet, elektrisk ledeelement.

13. Vindenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, med en maskinbærer som er dreibart anordnet på et fundament, med en på maskinbæreren anordnet rotoraksel med et rotornav, og med minst ett rotorblad, karakterisert ved at hvert rotorblad (5) på sin spiss og i en isolasjonsavstand til rotornavet oppviser på sin rotorbladrot (24) anordnede, elektriske ledeelementer som er forbundet elektrisk ledende med hverandre.

14. Vindenergianlegg ifølge krav 13, karakterisert ved at det på spissen av rotorbladet (5 ) anordnede ledeelement er utformet som en aluminiumsformdel (6).

15. Vindenergianlegg ifølge krav 13 eller 14, karakterisert ved at det i forkanten og i bakkanten av hvert rotorblad (5) er anordnet elektriske ledeelementer (7) som på elektrisk ledende måte forbinder de på spissen av rotorbladet (5) og på dets rotorbladrot (24) anordnede ledeelementer.

16. Vindenergianlegg ifølge ett av kravene 12-15, karakterisert ved at det på rotorbladroten (24) anordnede ledeelementet er en på overflaten av rotorbladroten (24) i det minste i avsnittsvis horisontalt omløpende aluminiumsring (8) .

17. Vindenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, med en maskinbærer som er anordnet på et fundament, med en på maskinbæreren anordnet rotoraksel med et rotornav, og med minst ett rotorblad, karakterisert ved at det i et område av maskinbæreren (14) som vender mot fundamentet, er anordnet et lynavledningselement som befinner seg i slepende anlegg mot et elektrisk ledende byggeelement på fundamentet.

18. Vindenergianlegg ifølge krav 17, karakterisert ved at lynavledningselementet er utformet som en støtstang (19) som påvirkes av et kontakttrykk.

19. Vindenergianlegg ifølge krav 17 eller 18, karakterisert ved at det elektrisk ledende byggeelement av fundamentet er en friksjonsskive (20) som er anordnet liggende i det øvre området av fundamentet i et vannrett plan og koaksialt i forhold til maskinbærerens (14) omdreiningsakse.

20. Vindenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at rotorbladet består av et elektrisk ikke-ledende materiale, så som eksempelvis glassfiberforsterket kunststoff.

21. Vindenergianlegg med en lynbeskyttelsesanordning og et lynavlederorgan, karakterisert ved at vindenergianlegget oppviser en innretning for utladning av elektrostatiske ladninger fra minst ett rotorblad (5) av vindenergianlegget, og at vindenergianlegget oppviser et rotornav (30) og til dette festede rotorblader (5), og de elektrostatiske ladninger i området for rotorbladnavet bortledes via en annen vei enn de ladninger som påtrykkes ved et lynnedslag, idet de elektrostatiske ladninger bortledes via navet (30) og de ved lynnedslagets påtrykte ladninger bortledes forbi navet.