PL206325B1 - Sposób sterowania siłownią wiatrową i siłownia wiatrowa - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu sterowania siłownią wiatrową i siłowni wiatrowej, w której stosuje się urządzenie sterujące do eksploatacyjnej regulacji siłowni wiatrowej.

Siłownia wiatrowa przetwarza część energii kinetycznej wiatru w energię elektryczną. W tym celu siłownia wiatrowa ma wirnik, który odbiera energię kinetyczną wiatru i przetwarza ją w energię obrotową. Przy danej prędkości wiatru moc dostarczana przez wiatr zależy od gęstości powietrza.

Opis zgłoszeniowy DE 198 44 258 A1 przedstawia siłownię wiatrową i sposób jej eksploatacji, gdzie, w zależności od czujników, posiadając dane dotyczące gęstości powietrza przy siłowni wiatrowej, system regulacji eksploatacyjnej ustawia prędkość, przy której siłownia wiatrowa wyłącza się, tzn. przy wyższej prędkości wraz z malejącą gęstością powietrza. Jeśli zatem przy normalnej wartości gęstości powietrza prędkość wyłączania ma określoną uprzednio wartość, wówczas, gdy gęstość powietrza jest mniejsza, prędkość wyłączania należy zwiększyć.

Opis zgłoszeniowy WO 9404820 A1 dotyczy wiatraka z regulacją ograniczającą prędkość. Czujnik temperatury połączony jest z organem wykonawczym, który zmienia geometrię łopat, tak, że łopata staje się mniej efektywna przy niższej temperaturze.

W urzą dzeniu sterują cym sił owni wiatrowej zapisana jest charakterystyka mocy, która pozwala, by środki sterowania siłowni wiatrowej na podstawie stwierdzonej prędkości wirnika, która jest zależna od prędkości wiatru, ustawiły odpowiednią moc generatora. Ta moc generatora, którą siłownia wiatrowa ma dostarczać, wymaga potrzebnej mocy wzbudzenia, oraz momentu generatora. Aby uzyskać wymagany moment generatora, wirnik musi dostarczać, poprzez zespół napędowy, co najmniej taki moment obrotowy.

Moc siłowni wiatrowej jest proporcjonalna do mocy P strugi wiatru napływającej na wirnik i opisywanej następującym wzorem:

P = ½ ρ v³ F [W].

Moc ta zależy od prędkości wiatru v, pola F zakreślonego przez łopaty wirnika oraz gęstości powietrza ρ. Przy niskiej gęstości powietrza moc dostarczana przez wirnik może być za mała, aby dawać moment wymagany przez obciążenie generatora, wtedy prędkość wirnika maleje na skutek zbyt dużego hamującego momentu generatora.

W dotychczasowych sił owniach wiatrowych oprócz charakterystyki ustala się z góry również wyróżnik szybkobieżności λ (w polskojęzycznej literaturze używa się również oznaczenia Z). Wyróżnik szybkobieżności definiuje się jako iloraz prędkości obwodowej wierzchołka łopaty wirnika do prędkości wiatru. Jak już wspomniano, w przypadku, gdy charakterystyka mocy nie odpowiada gęstości powietrza, wyróżnik szybkobieżności λ różni się od ustalonego w urządzeniu sterującym.

Celem wynalazku jest optymalizacja działania siłowni wiatrowej, aby zawsze dawała ona największą możliwą ilość energii, to znaczy największą możliwą moc.

Według wynalazku, sposób sterowania siłownią wiatrową zawierającą generator elektryczny, przy czym wykorzystuje się statystyczne, wprowadzane i/lub zmierzone dane dotyczące gęstości powietrza w miejscu usytuowania siłowni wiatrowej, zaś generator siłowni wiatrowej steruje się za pomocą urządzenia sterującego, które przetwarza dane gęstości powietrza celem sterowania mocą generatora, charakteryzuje się tym, że w zależności od danych gęstości powietrza ustawia się moc wzbudzenia doprowadzaną do generatora tak, że przy mniejszej gęstości powietrza ustawia się niższą moc wzbudzenia.

Korzystnie wartość lub dane odpowiadające gęstości powietrza określa się uprzednio, a następnie zapisuje się w urządzeniu sterującym.

Korzystniej, w mikroprocesorze urządzenia sterującego przetwarza się dane dotyczące gęstości powietrza, oraz realizuje się sterowanie siłownią wiatrową za pomocą programu sterującego.

Korzystnie jest, gdy uwzględnia się, za pomocą urządzenia sterującego, zmniejszenie gęstości powietrza przy większej wysokości nad poziomem morza, tak, że dostosowuje się charakterystykę mocy siłowni wiatrowej do gęstości powietrza odpowiadającej wysokości instalacji wiatrowej i/albo wysokości, a jakiej usytuowana jest siłownia wiatrowa.

Według wynalazku siłownia wiatrowa zawierająca generator elektryczny oraz urządzenie sterujące do eksploatacyjnej regulacji generatora siłowni wiatrowej, wyposażona w środki do wykrywania i/albo ustawiania danych dotyczących gęstości powietrza, przy czym urządzenie sterujące przetwarza wykrywane i/albo ustawiane dane dotyczące gęstości powietrza celem ustawiania danych mocy, która

PL 206 325 B1 ma być dostarczana przez generator, charakteryzuje się tym, że posiada urządzenie sterujące do ustawiania, w zależności od danych dotyczących gęstości powietrza, mocy wzbudzenia doprowadzanej do generatora.

Korzystnie siłownia zawiera urządzenie pomiarowe do mierzenia gęstości powietrza, dołączone do urządzenia sterującego.

Urządzenie pomiarowe korzystnie zawiera urządzenie do mierzenia ciśnienia powietrza i/lub urządzenie do mierzenia temperatury w miejscu usytuowania siłowni wiatrowej.

Urządzenie sterujące zawiera korzystnie mikroprocesor do przetwarzania danych dotyczących gęstości powietrza i realizacji programu sterującego siłownią wiatrową.

Tak więc, według przedmiotowego wynalazku urządzenie sterujące uwzględnia wysokość lokalizacji siłowni wiatrowej i/lub wysokość samej siłowni wiatrowej, a więc gęstość powietrza w miejscu ustawienia siłowni wiatrowej.

Wynalazek oparty jest na spostrzeżeniu, że wraz ze zwiększającą się wysokością maleje gęstość powietrza. Odniesieniem jest zawsze wysokość zerowa na poziomie morza. Im wyżej nad poziomem morza usytuowane jest miejsce ustawienia siłowni wiatrowej, tym mniejsza jest gęstość powietrza i odpowiednio mniejsza jest moc wiatru.

W rozwiązaniu według przedmiotowego wynalazku szczególnie korzystne jest to, ż e uwzględnianie wysokości lokalizacji siłowni wiatrowej nad poziomem morza oznacza, że w charakterystyce mocy uwzględnia się tę zmniejszoną gęstość powietrza. Dzięki temu można odpowiednio dostosować moc, która ma być wytwarzana przez siłownię wiatrową, a która jest związana z prędkością obrotową wirnika, a zatem z określonym wyróżnikiem szybkobieżności λ, to znaczy zmniejszyć ją, tak aby moment generatora - będący konsekwencją mocy wzbudzenia doprowadzanej za pomocą urządzenia sterującego - nie przekraczał momentu obrotowego dostarczanego przez wirnik. Dzięki temu sprawność określona przez charakterystykę mocy jest utrzymywana i można uzyskać z wiatru maksymalną energię.

Jak było wspomniane wyżej, w szczególnie korzystnym przykładzie realizacji wynalazku można uwzględnić wysokość miejsca usytuowania siłowni wiatrowej i/lub wysokość samej siłowni wiatrowej, to znaczy można przewidzieć sterowanie niezależne od lokalizacji, które może otrzymywać odpowiednie parametry poprzez odpowiednie środki ustawiania, takie jak przełączniki, parametry konfiguracji itd.

W korzystnym rozwinięciu wynalazku siłownia wiatrowa ma urządzenie do mierzenia gęstoś ci powietrza, a szczególnie korzystnie urządzenie do mierzenia ciśnienia powietrza i temperatury. Gęstość powietrza można określić na podstawie tych dwóch danych. Dzięki temu można zrezygnować z ustawiania parametrów, ponieważ urządzenie sterujące samo określa te parametry na podstawie danych otrzymanych z urządzenia pomiarowego.

W korzystnej postaci wykonania urzą dzenie sterują ce zawiera co najmniej jeden mikroprocesor, tak że sterowanie siłowni wiatrowej można realizować na bazie oprogramowania sterującego.

Tak więc, jak było wyżej powiedziane, cel wynalazku osiągnięto również przez sposób, który charakteryzuje się tym, że:

a) mierzy się gęstość powietrza,

b) sygnały reprezentujące gęstość powietrza są przesyłane do urządzenia sterującego,

c) gęstość powietrza jest uwzględniana przez urządzenie sterujące regulacji eksploatacyjnej.

W etapie a) można mierzyć ciśnienie powietrza i temperaturę, a w etapie b) sygnały reprezentujące gęstość powietrza mogą pochodzić od ciśnienia powietrza i temperatury według uprzednio określonego algorytmu.

Przykład wykonania przedmiotowego wynalazku opisano bardziej szczegółowo na podstawie rysunku, na którym przedstawiony jest uproszczony schemat blokowy układu według wynalazku.

Na rysunku przedstawiono siłownię wiatrową z wirnikiem 10, generatorem 12, przekładnią 14 pomiędzy wirnikiem a generatorem, z urządzeniem 16 do mierzenia ciśnienia powietrza, z urządzeniem 18 do mierzenia temperatury oraz z urządzeniem sterującym 20 z mikroprocesorem.

Urządzenie 16 do mierzenia ciśnienia powietrza jest dołączone poprzez łącze 22 do sterującego urządzenia 20, urządzenie do mierzenia temperatury jest dołączone poprzez łącze 24 do sterującego urządzenia 20, a prędkość wirnika jest podawana na sterujące urządzenie 20 poprzez łącze 26. Łącza te mogą przykładowo być łączami galwanicznymi albo innymi odpowiednimi łączami, takimi jak łącze radiowe.

PL 206 325 B1

W oparciu o przesyłane informacje urządzenie sterujące 20 ustala na podstawie określonych danych dotyczących mocy, moc która ma być oddawana przez generator i poprzez łącze 28 steruje mocą wzbudzenia doprowadzaną do generatora 12.

W związku z tym tryb działania sterującego urządzenia 20 można z góry określić w taki sposób, że zmiany gęstości powietrza, które można określić ze zmian ciśnienia lub temperatury powietrza, są uwzględniane przez sterujące urządzenie 20 tylko wtedy, gdy przewyższają określoną z góry wartość i/lub zmiany te są stwierdzane przez określony z góry czas.

Należy zauważyć, że zamiast mierzyć gęstość powietrza można również z góry wyznaczyć wartość gęstości powietrza w odpowiednim miejscu. W związku z tym przykładowo uwzględnia się również wysokość siłowni wiatrowej lub piasty wirnika siłowni wiatrowej nad poziomem morza. W analogiczny sposób można również z góry określić średnią wartość gęstości powietrza na określonej wysokości i zapisać ją w urządzeniu sterującym. W związku z tym, wynalazek przewiduje, że charakterystykę mocy siłowni wiatrowej dostosowuje się również do gęstości powietrza odpowiadającej miejscu usytuowania siłowni wiatrowej. Umożliwia to utrzymywanie poziomu sprawności siłowni wiatrowej zawsze na maksymalnej możliwej wartości nawet wtedy, gdy gęstość powietrza waha się znacznie lub siłownia wiatrowa jest wzniesiona kilkaset metrów nad poziomem morza, nawet jeśli charakterystyka mocy jest początkowo ustawiona dla lokalizacji o wysokości zerowej nad poziomem morza.

Claims (8)

1. Sposób sterowania siłownią wiatrową zawierającą generator elektryczny, przy czym wykorzystuje się statystyczne, wprowadzane i/lub zmierzone dane dotyczące gęstości powietrza w miejscu usytuowania siłowni wiatrowej, zaś generator siłowni wiatrowej steruje się za pomocą urządzenia sterującego, które przetwarza dane gęstości powietrza celem sterowania mocą generatora, znamienny tym, że w zależności od danych gęstości powietrza ustawia się moc wzbudzenia doprowadzaną do generatora (12), tak, że przy mniejszej gęstości powietrza ustawia się niższą moc wzbudzenia.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wartość gęstości powietrza lub dane odpowiadające gęstości powietrza określa się uprzednio, a następnie zapisuje się w urządzeniu sterującym (20).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w mikroprocesorze urządzenia sterującego przetwarza się dane dotyczące gęstości powietrza, oraz realizuje się sterowanie siłownią wiatrową za pomocą programu sterującego.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że uwzględnia się, za pomocą urządzenia sterującego, zmniejszenie gęstości powietrza przy większej wysokości nad poziomem morza, tak, że dostosowuje się charakterystykę mocy siłowni wiatrowej do gęstości powietrza odpowiadającej wysokości instalacji wiatrowej i/albo wysokości, na jakiej usytuowana jest siłownia wiatrowa.

5. Siłownia wiatrowa zawierająca generator elektryczny oraz urządzenie sterujące do eksploatacyjnej regulacji generatora siłowni wiatrowej, wyposażona w środki do wykrywania i/albo ustawiania danych dotyczących gęstości powietrza, przy czym urządzenie sterujące przetwarza wykrywane z i/albo ustawiane dane dotyczące gęstości powietrza celem ustawiania danych mocy, która ma być dostarczana przez generator, znamienna tym, że posiada urządzenie sterujące (20) do ustawiania, w zależności od danych dotyczących gęstości powietrza, mocy wzbudzenia doprowadzanej do generatora (12).

6. Siłownia według zastrz. 5, znamienna tym, że zawiera urządzenie pomiarowe (16, 18) do mierzenia gęstości powietrza, dołączone do urządzenia sterującego (20).

7. Siłownia według zastrz. 6, znamienna tym, że urządzenie pomiarowe (16, 18) zawiera urządzenie (16) do mierzenia ciśnienia powietrza i/lub urządzenie (18) do mierzenia temperatury w miejscu usytuowania siłowni wiatrowej.

8. Siłownia według zastrz. 5, znamienna tym, że urządzenie sterujące zawiera mikroprocesor do przetwarzania danych dotyczących gęstości powietrza i realizacji programu sterującego siłownią wiatrową.