PL207353B1 - Sposób sterowania instalacją wiatrową oraz instalacja wiatrowa - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu sterowania instalacją wiatrową, w którym monitoruje się instalację wiatrową pod kątem powstających naprężeń oraz śledzi się obroty wirnika instalacji wiatrowej, wynalazek dotyczy również instalacji wiatrowej posiadającej co najmniej jeden czujnik.

Takie urządzenia i sposoby są znane. Czasopismo Erneuerbare Energien (Energie Odnawialne), 7/2000 s. 38, wydawane przez SunMedia Verlags- und Kongresgesellschaft fuer Erneuerbare Energien mbH Hannover, w artykule zatytułowanym Knackt der Rotor den Turm (Wirnik powoduje uszkodzenie wieży) wspomina o monitorowaniu drgań przez pomiar przyspieszenia.

W numerze 5/2000 tego czasopisma, w paragrafie 2 na stronie 37 opisano, że monitory drgań, które są aktualnie oferowane przez kilku producentów, zawierają czujniki przyspieszenia. Opisano tam również sposób specjalnego wzmacniania niebezpiecznych częstotliwości za pomocą układu elektronicznego.

Stan techniki umożliwia wykrywanie drgań wierzchołka wieży w pewnych zakresach częstotliwości. Drgania te stanowią część naprężenia wieży. W związku z tym wieża jest zaprojektowana na określoną sumę naprężeń w przewidzianym czasie jej eksploatacji np. 20 lat.

Każde naprężenia przyczynia się do zmęczenia materiału. Oczywiste jest, że w miejscach o dużej liczbie silnych naprężeń zmęczenie następuje szybciej niż w miejscach o małej liczbie niewielkich naprężeń.

Pociąga to za sobą różne mechaniczne starzenie się konstrukcji przy identycznym wieku wież. Może się zatem zdarzyć, że przy osiągnięciu swego granicznego wieku 20 lat wieża, która była poddawana naprężeniom mniejszym, doznała mechanicznie tylko takiej sumy naprężeń, które przy jej konstruowaniu było przewidziane na 15 lat, tak że wieża mogłaby z pewnością być jeszcze eksploatowana. Należy zauważyć, że do pomyślenia jest również odwrotna sytuacja, przy której wieża osiągnie trwałość kalendarzową dwudziestu lat, już po piętnastu latach eksploatacji.

Za pomocą dotychczasowych rozwiązań nie można dokładnie określić trwałości rzeczywistej wieży, tak że ostatecznie możliwe jest tylko oszacowanie żywotności wieży, będącej jedną z najważniejszych części instalacji wiatrowej.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia i sposobu, który umożliwi niezawodne wykrywanie naprężenia instalacji wiatrowej i niezawodną ocenę ważnych części instalacji wiatrowej.

Według wynalazku sposób sterowania instalacją wiatrową, która wytwarza energię elektryczną w wyniku wiatru, w którym monitoruje się instalację wiatrową pod ką tem powstają cych napręże ń oraz śledzi się obroty wirnika instalacji wiatrowej, charakteryzuje się tym, że w cokole wieży dokonuje się pomiaru naprężeń, dostarcza się dane pomiarowe oraz steruje się instalacją wiatrową, aby zmniejszyć naprężenia instalacji wiatrowej i jeżeli dane pomiarowe i/albo przetworzone dane przekraczają z góry określoną wartość obniża się prędkość obrotową wirnika i obraca się łopaty wirnika bokiem do wiatru zmniejszając kąt natarcia łopaty wirnika o zadany kąt.

Korzystnie prędkość obrotową wirnika obniża się za pomocą obracania wirnika bokiem do wiatru.

Zmniejsza się naprężenia instalacji wiatrowej korzystnie wtedy, gdy dane pomiarowe przekroczą z góry określoną wartość w określonym z góry przedziale czasu.

Korzystnie wyświetla się pierwsze wartości graniczne, gdy zostaną one osiągnięte lub przekroczone.

Korzystniej porównuje się dane pomiarowe z określoną z góry pierwszą wartością graniczną i wyś wietla się osiągniętą albo przekroczoną pierwszą wartość graniczną.

Według wynalazku instalacja wiatrowa zawierająca wieżę wsporczą posiadającą cokół, wirnik oparty na tej wieży wsporczej, co najmniej jeden czujnik, charakteryzuje się tym, że w rejonie cokołu wieży wsporczej usytuowany jest co najmniej jeden czujnik naprężenia, przy czym instalacja wiatrowa posiada również, powiązane z tym czujnikiem (czujnikami) naprężenia urządzenie sterujące instalacją wiatrową służące do przyjmowania tych danych reprezentujących naprężenia i do przetwarzania ich i do sterowania instalacją wiatrową celem zmniejszenia naprężeń instalacji wiatrowej, jeżeli to naprę żenie przekroczy z góry ustaloną wartość, przy czym urządzenie sterujące jest przygotowane do redukcji naprężenia instalacji wiatrowej za pomocą obniżania prędkości obrotowej wirnika i za pomocą obracania łopat wirnika bokiem do wiatru zmniejszając kąt natarcia łopaty wirnika o zadany kąt.

Korzystnie co najmniej jeden czujnik naprężenia usytuowany jest w cokole wieży wsporczej.

Korzystniej wiele czujników naprężenia jest rozmieszczonych w zewnętrznych obszarach cokołu wieży wsporczej.

Cokół wieży wsporczej jest korzystnie połączony z fundamentem.

Czujnik naprężenia jest korzystnie czujnikiem opartym na tensometrach elektrooporowych.

PL 207 353 B1

Czujnik naprężenia zawiera korzystnie pierwsze urządzenie do zamiany zmierzonego naprężenia w sygnały analogowe albo cyfrowe.

Urządzenie sterujące korzystnie zawiera urządzenie do wyświetlania osiągniętych albo przekroczonych pierwszych wartości granicznych.

Urządzenie sterujące korzystniej zawiera urządzenie do zapamiętywania wartości naprężenia reprezentowanego przez sygnały elektryczne.

Korzystnie urządzenie sterujące zawiera urządzenie do kumulowania wartości naprężenia reprezentowanego przez sygnały elektryczne.

Korzystniej urządzenie sterujące zawiera ponadto urządzenie do transmisji sygnałów, które reprezentują skumulowane wartości naprężeń.

Najkorzystniej urządzenie sterujące zawiera urządzenie do transmisji sygnałów, które określają powiązanie skumulowanych wartości naprężenia ze z góry określoną drugą wartością graniczną.

Urządzenie sterujące zawiera korzystnie urządzenie do transmisji sygnałów określających poszczególne wartości naprężenia.

Wynalazek oparty jest na spostrzeżeniu, że wszystkie naprężenia, które występują przy instalacji wiatrowej, występują w wieży tej instalacji. Jeżeli cokół wieży doznaje połowy łącznego naprężenia, inne części, takie jak łopaty, łoże maszyny, wierzchołek wieży, sama wieża itd., rzadko mogą doznawać znacznie większej sumy naprężeń.

Wreszcie, naprężenie w cokole wieży nie może odpowiadać prędkości wiatru np. 4 m/s, podczas gdy naprężenie innych części odpowiada np. prędkości wiatru 8 m/s. Dlatego wykrywanie naprężeń występujących w wieży umożliwia wnioskowanie o naprężeniach, którym instalacja wiatrowa podlega w całości w swym miejscu lokalizacji.

Ponieważ w uproszczeniu instalację wiatrową można traktować jako pręt zamocowany przy jednym końcu, możliwe jest wykrywanie sumy wszystkich naprężeń działających na instalację wiatrową w cokole wieży. Umieszczenie co najmniej jednego czujnika w cokole wieży umożliwia zatem niezawodne wykrywanie naprężenia działającego na instalację wiatrową. Równocześnie można bez żadnej pomocy dostać się do czujnika bez dużych kosztów i komplikacji.

Jak wspomniano wyżej, w korzystnym przykładzie realizacji wynalazku wykrywanie naprężenia przeprowadza się za pomocą tensometru elektrooporowego (RSG). Naprężenie można niezawodnie wykrywać za pomocą takiego czujnika z odpowiednią dokładnością stosując wypróbowaną i przetestowaną technikę.

Wartości zmierzone przez czujnik tensometryczny są korzystnie przetwarzane w analogowe lub cyfrowe sygnały elektryczne. Sygnały elektryczne reprezentujące wartości zmierzone mogą być przesyłane i poddawane dalszemu przetwarzaniu w prosty sposób.

Takie dalsze przetwarzanie może polegać na porównaniu z wartością graniczną, aby przykładowo można było rozpoznać maksima naprężeń lub sprawdzić, w jakiej sytuacji określone granice naprężeń są osiągane lub przekraczane. Ponadto wartości zmierzone mogą być kumulowane i zapisywane w celu późniejszego przetwarzania lub oceny.

Należy zauważyć, że wynik kumulacji może być też z kolei porównywany z uprzednio określoną wartością graniczną. W taki sposób można rozważać naprężenie działające na konstrukcję instalacji wiatrowej w stosunku do naprężeń projektowych, a zatem oceniać trwałość rzeczywistą instalacji wiatrowej.

Ponadto według korzystnego wariantu wynalazku chwilowe naprężenie działające na instalację wiatrową jest określane na podstawie sygnału z czujnika. Jeżeli przy rozległych pomiarach przeprowadzanych na prototypie instalacji wiatrowej określi się również korelację sytuacji naprężeń różnych części instalacji wiatrowej, dostępne są dane, które umożliwiają wyprowadzenie z naprężeń w cokole wieży wniosków o naprężeniu innych części. Dzięki kumulacji wszystkich stwierdzonych naprężeń można określić całkowite skumulowane naprężenie instalacji wiatrowej, a zatem jej trwałość rzeczywistą.

Na podstawie zależności chwilowego naprężenia od chwilowego wiatru można sprawdzić, czy stwierdzone chwilowe naprężenie instalacji wiatrowej odpowiada przybliżonemu oczekiwanemu rzędowi wielkości. W ten sposób można zadowalająco sterować działaniem instalacji wiatrowej.

Dane odpowiadające zmierzonemu naprężeniu można również dalej przetwarzać w urządzeniu sterującym instalacji wiatrowej w taki sposób, że gdy występuje przeciążenie, urządzenie sterujące wprowadza środki, które powodują zmniejszenie naprężenia. Takie zmniejszenie naprężenia może być zrealizowane np. przez przestawienie łopat wirnika wzdłuż linii wiatru lub też przez zmniejszenie prędkości obrotowej wirnika instalacji wiatrowej. Ponadto cały wirnik instalacji wiatrowej można obrócić bokiem do wiatru o pewien kąt, by zmniejszyć naprężenia.

PL 207 353 B1

Sposób według wynalazku powoduje szczegółową znajomość całkowitego naprężenia, jakiemu do chwili obecnej poddana została instalacja wiatrowa, w porównaniu z naprężeniami projektowymi. Zależność ta, podobnie jak i poszczególne wartości zmierzone i/lub naprężenie skumulowane, mogą być zapisywane i/lub przetwarzane w instalacji wiatrowej. Ponadto dane te mogą być przykładowo regularnie przesyłane do oddalonego miejsca, takiego jak system zdalnego monitorowania, albo przywoływane z niego.

Poniżej opisano przykład realizacji wynalazku. Na rysunku: fig. 1 jest uproszczonym widokiem instalacji wiatrowej, fig. 2 przedstawia umieszczenie czujników, a fig. 3 przedstawia schemat blokowy przebiegu sposobu według wynalazku.

Fig. 1 przedstawia wieżę 10 instalacji wiatrowej, która jest przymocowana do fundamentu 12. Przy wierzchołku wieży 10 umieszczona jest gondola 14, która ma wirnik z łopatami 16. Na rysunku strzałka oznacza kierunek wiatru.

Wiatr obraca z jednej strony wirnikiem i sprzężoną dalej z nim mechanicznie częścią instalacji wiatrowej, by wytworzyć energię elektryczną. Równocześnie jednak wieża 10 podlega działaniu ciśnienia wiatru, a z drugiej strony gondola 14 wraz z wirnikiem jest odchylana w kierunku wiatru. W rezultacie moment gnący działa na wieżę 10, która jest zamocowana przy jednym końcu, na ramieniu dźwigni o długości wieży, przy fundamencie 12.

Wpływ siły działającej na wierzchołek wieży powoduje rozkład sił na całej długości wieży, tak że zmieniające się naprężenia lub drgania powodują zmęczenie materiału.

Fig. 2 przedstawia umieszczenie dwóch czujników 20 w cokole wieży. Te czujniki 20 mogą działać przykładowo na zasadzie tensometru i wykrywają naprężenie w cokole wieży. Naprężenie to umożliwia wyciągnięcie dość dokładnych wniosków w odniesieniu do całego naprężenia działającego na instalację wiatrową. Zamiast umieszczenia tylko dwóch czujników może być również korzystne w pewnych okolicznościach umieszczenie wielu czujników rozmieszczonych wokół obwodu cokołu wieży, aby w ten sposób mieć czujniki dla wielu głównych kierunków wiatru tak, że czujniki te mogą określać odpowiednie maksymalne naprężenia rozciągające/ściskające, występujące w rejonie cokołu wieży.

Ponadto sygnały/dane określone przez czujniki mogą być poddawane dalszemu przetwarzaniu w urządzeniu sterującym instalacji wiatrowej (nie pokazano) w taki sposób, że przy przekroczeniu określonych wartości maksymalnych raz, wiele razy lub czasami całkowite naprężenie instalacji wiatrowej zostaje zmniejszone przez taką procedurę, że przykładowo prędkość obrotowa wirnika instalacji wiatrowej jest zmniejszana za pomocą układu sterującego i/lub oddzielne łopaty wirnika są przestawiane od wiatru o pewien kąt, przez co zmniejsza się naprężenie powodowane przez wirnik lub działanie na niego wiatru.

Pierwsze urządzenie 30 przetwarza wartości zmierzone przez czujnik 20 w elektryczne sygnały analogowe lub cyfrowe. Drugie urządzenie 40 może wykrywać sygnały elektryczne i oceniać oraz przetwarzać je. Wartości zmierzone mogą być porównywane np. z pierwszą wartością graniczną, która wyznacza uprzednio określoną granicę naprężenia. Jeżeli wartość zmierzona osiągnie lub przekroczy tę pierwszą wartość graniczną, może być wyzwalany sygnał, który dokładnie wyświetla to.

Jeżeli wartość graniczna, czyli w przedstawionym przykładzie granica naprężenia, jest osiągana/przekraczana w ten sposób powtarzalnie, umożliwia to wnioskowanie, że istnieje systematyczne odchylenie od poczynionych poprzednio założeń dotyczących naprężenia. Na tej podstawie możliwe jest ograniczanie przyczyny, np. niewłaściwego sterowania instalacją wiatrową lub skrajnej sytuacji, która jest zależna od lokalizacji instalacji wiatrowej, tak że możliwe jest opracowanie środków zaradczych.

Mechaniczne starzenie się wieży można stale monitorować przez ciągłe kumulacyjne rejestrowanie i ciągłe porównywanie z naprężeniami projektowymi.

Zapisywanie danych naprężenia ma również tę zaletę, że w razie ewentualnego uszkodzenia wieży instalacji wiatrowej łatwiej można uzyskać dowód, czy wystąpiły określone fazy przeciążenia i czy były dotrzymywane maksymalne występujące naprężenia.

Wreszcie, korzystne jest również, jeżeli zmierzone dane naprężenia instalacji wiatrowej są zbierane centralnie, a jeśli zmierzone dane naprężenia często lub ciągle przekraczają określoną wartość maksymalną, mogą być ze strony kierownictwa podejmowane we właściwym czasie środki zabezpieczające przed przedwczesnym starzeniem się mechanicznym wieży. Środki takie mogą przykładowo również obejmować wzmocnienie pewnych elementów instalacji wiatrowej, obejmujących np. wieżę.

PL 207 353 B1

Zamiast tensometru do wykrywania naprężenia można również zastosować dowolne inne urządzenie, za pomocą którego można wykrywać siły rozciągające i/lub ściskające i/lub siły skręcające i/lub drgania lub ich amplitudy w wieży, a zwłaszcza u wierzchołka wieży instalacji wiatrowej.

Fig. 3 przedstawia schemat blokowy przebiegu sposobu według wynalazku. Procedura rozpoczyna się od etapu 50, a wartość zmierzona jest wykrywana w etapie 51 - W etapie 52 wykryta wartość zmierzona jest porównywana z pierwszą wartością graniczną. Jeżeli wartość zmierzona przewyższa tę pierwszą wartość graniczną, wówczas jest dokładnie tak, jak pokazano w etapie 53- Jeżeli wartość zmierzona nie przewyższa pierwszej wartości granicznej, procedura pomija etap 53W etapie 54 wartości zmierzone są kumulowane tak, że określane jest całkowite naprężenie doznawane przez instalację wiatrową do chwili obecnej- To całkowite naprężenie zostaje odniesione do naprężeń projektowych w etapie 55- Można na tej podstawie określić trwałość rzeczywistą, której odpowiada zbiorcze naprężenie doznane już przez instalację wiatrową w odniesieniu do projektowego naprężenia zbiorczegoZależność ta jest zobrazowana w etapie 56, zanim procedura zakończy się w etapie 57Zobrazowanie takie może być przedstawiane np- po transmisji danych do oddalonej centralnej stacji monitorowania lub u operatora instalacji wiatrowej i może mieć postać wykresu słupkowego, wykresu kołowego lub też może mieć inną odpowiednią postać-

Claims (1)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1- Sposób sterowania instalacją wiatrową, która wytwarza energię elektryczną w wyniku wiatru, w którym monitoruje się instalację wiatrową pod kątem powstających naprężeń oraz śledzi się obroty wirnika instalacji wiatrowej, znamienny tym, że w cokole wieży (10) dokonuje się pomiaru naprężeń, dostarcza się dane pomiarowe oraz steruje się instalacją wiatrową, aby zmniejszyć naprężenia instalacji wiatrowej i jeżeli dane pomiarowe i/albo przetworzone dane przekraczają z góry określoną wartość obniża się prędkość obrotową wirnika i obraca się łopaty wirnika bokiem do wiatru zmniejszając kąt natarcia łopaty wirnika o zadany kąt2- Sposób według zastrz- 2, znamienny tym, że prędkość obrotową wirnika obniża się za pomocą obracania wirnika bokiem do wiatru3- Sposób według zastrz- 1, znamienny tym, że zmniejsza się naprężenia instalacji wiatrowej wtedy, gdy dane pomiarowe przekroczą z góry określoną wartość w określonym z góry przedziale czasu4- Sposób według zastrz- 1, znamienny tym, że wyświetla się pierwsze wartości graniczne, gdy zostaną one osiągnięte lub przekroczone5- Sposób według zastrz- 1, znamienny tym, że porównuje się dane pomiarowe z określoną z góry pierwszą wartością graniczną i wyświetla się osiągniętą albo przekroczoną pierwszą wartość graniczną6- Instalacja wiatrowa zawierająca wieżę wsporczą posiadającą cokół, wirnik oparty na tej wieży wsporczej, co najmniej jeden czujnik, znamienna tym, że przy cokole wieży wsporczej (10) usytuowany jest co najmniej jeden czujnik (20) naprężenia, przy czym instalacja wiatrowa posiada również, powiązane z tym czujnikiem (czujnikami) (20) naprężenia urządzenie sterujące instalacją wiatrową służące do przyjmowania tych danych reprezentujących naprężenia i do przetwarzania ich i do sterowania instalacją wiatrową celem zmniejszenia naprężeń instalacji wiatrowej, jeżeli to naprężenie przekroczy z góry ustaloną wartość, przy czym urządzenie sterujące jest przygotowane do redukcji naprężenia instalacji wiatrowej za pomocą obniżania prędkości obrotowej wirnika i za pomocą obracania łopat wirnika bokiem do wiatru zmniejszając kąt natarcia łopaty wirnika o zadany kąt7- Instalacja wiatrowa według zastrz- 6, znamienna tym, że co najmniej jeden czujnik (20) naprężenia usytuowany jest w cokole wieży wsporczej (10)8- Instalacja wiatrowa według zastrz- 6, znamienna tym, że wiele czujników (20) naprężenia jest rozmieszczonych w zewnętrznych obszarach cokołu wieży wsporczej (10)9- Instalacja wiatrowa według zastrz- 6, znamienna tym, że cokół wieży wsporczej (10) jest połączony z fundamentem (12)10- Instalacja wiatrowa według zastrz- 6 albo 7 albo 8 albo 9, znamienna tym, że czujnik (20) naprężenia jest czujnikiem opartym na tensometrach elektrooporowych11- Instalacja wiatrowa według zastrz- 6, znamienna tym, że czujnik (20) naprężenia zawiera pierwsze urządzenie (30) do zamiany zmierzonego naprężenia w sygnały analogowe albo cyfrowe12- Instalacja wiatrowa według zastrz- 6 albo 11, znamienna tym, że urządzenie sterujące zawiera urządzenie do wyświetlania osiągniętych albo przekroczonych pierwszych wartości granicznych6

   PL 207 353 B1

   13. Instalacja wiatrowa według zastrz. 6, znamienna tym, że urządzenie sterujące zawiera urządzenie do zapamiętywania wartości naprężenia reprezentowanego przez sygnały elektryczne

   14. Instalacja wiatrowa według zastrz. 6, znamienna tym, że urządzenie sterujące zawiera urządzenie do kumulowania wartości naprężenia reprezentowanego przez sygnały elektryczne.

   15. Instalacja wiatrowa według zastrz. 6 albo 14, znamienna tym, że urządzenie sterujące zawiera ponadto urządzenie do transmisji sygnałów, które reprezentują skumulowane wartości naprężeń.

   16. Instalacja wiatrowa według zastrz. 6 albo 14, znamienna tym, że urządzenie sterujące zawiera urządzenie do transmisji sygnałów, które określają powiązanie skumulowanych wartości naprężenia ze z góry określoną drugą wartością graniczną.

   17. Instalacja wiatrowa według zastrz. 6, znamienna tym, że urządzenie sterujące zawiera urządzenie do transmisji sygnałów określających poszczególne wartości naprężenia.