PL216993B1

PL216993B1 - Łopata wirnika elektrowni wiatrowej

Info

Publication number: PL216993B1
Application number: PL375921A
Authority: PL
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2014-06-30
Also published as: KR20090083429A; AU2003299315A1; CA2507832C; ES2632214T8; KR100921432B1; BR0310124B1; PT2284393T; NO339105B1; EP1583906B1; CN1726343A; EP2284393A3; EP2284393A2; PL375921A1; NO20053463D0; EP2284393B1; US7594797B2; US7955052B2; NO20053463L; AU2003299315B2; DE10259680B4

Description

Opis wynalazku

Wynalazek ten dotyczy łopaty wirnika elektrowni wiatrowej, zawierającej złącze łopaty wirnika do dołączenia do piasty wirnika elektrowni wiatrowej oraz końcówkę łopaty usytuowaną na przeciwnym końcu łopaty wirnika. Takie łopaty wirnika są od dawna znane i są używane w prawie wszystkich elektrowniach wiatrowych z osią poziomą.

W różnych celach umieszcza się czasem wzdłuż łopaty przewody elektryczne. Na przykład według DE19748716 C1 wzdłuż łopaty wirnika umieszczono co najmniej dwa przewody służące do ogrzewania łopaty i odprowadzania wyładowań atmosferycznych.

Zainteresowanie użytkowników elektrowni wiatrowych budzi również zmęczenie konstrukcji łopat wirnika i innych części powstające wskutek naprężeń. W opisie zgłoszeniowym DE10113039 A1 przedstawiono sposób sterowania instalacją wiatrową, w którym monitoruje się instalację wiatrową pod kątem powstających naprężeń oraz śledzi się obroty wirnika instalacji wiatrowej, przy czym w cokole wieży dokonuje się pomiaru naprężeń, korzystnie za pomocą czujników opartych na tensometrach oporowych, dostarcza się te dane pomiarowe celem sterowania instalacją wiatrową, aby zmniejszyć jej naprężenia. Tak więc, jeżeli dane pomiarowe i/albo przetworzone dane przekraczają z góry określoną wartość obniża się prędkość obrotową wirnika.

Powstające w łopacie wirnika naprężenia wiążą się z jej wyginaniem czyli zmianami długości określonych jej części.

Niniejsze zgłoszenie nawiązuje do niemieckich zgłoszeń patentowych DE 38 21 642 i DE 37 12 780. Ze zgłoszeń tych wiadomo, jak zmiany długości lub odległości, które są powodowane przez zmianę parametrów fizycznych, takich jak temperatura lub ciśnienie, mogą być określane przez pomiar opóźnienia sygnałów elektrycznych w kablu światłowodowym narażonym na oddziaływanie fizyczne. Sygnały są doprowadzane do światłowodu za pomocą multiwibratora optycznego. W takiej sytuacji całe opóźnienie wielu impulsów jest określane za pomocą licznika wysokiej częstotliwości. Przez porównanie z wynikiem zliczania wzorcowego (odniesienia) ustala się odchylenie aktualnie wyznaczonego wyniku zliczania w stosunku do wzorcowego wyniku zliczania, ustala się różnicę długości lub odległości, a tę różnicę długości lub odległości przetwarza się na parametr badanego oddziaływania fizycznego.

Ze zgłoszenia patentowego DE 38 21 642 wiadomo, jak zmiany długości przewodów, które są powodowane przez zmianę parametrów fizycznych, takich jak temperatura lub ciśnienie, mogą być określane przez pomiar czasu przejścia sygnałów elektrycznych w kablu światłowodowym narażonym na oddziaływanie fizyczne. Sygnały są doprowadzane do światłowodu za pomocą multiwibratora optycznego. Sumaryczny czas przejścia wielu impulsów jest określany za pomocą licznika wysokiej częstotliwości. Przez porównanie z wzorcowym wynikiem zliczania ustala się odchylenie aktualnego wyniku zliczania w stosunku do wzorcowego wyniku zliczania, ustala się różnicę długości, a tę różnicę przetwarza się W wartość badanego parametru fizycznego.

W publikacji DE 37 12 780 przedstawiono proces i urządzenie do dokładnego i szybkiego mierzenia długości badanej linii, jak również nieciągłości elektrycznej w tej linii. W urządzeniu tym zbocze impulsu za pomocą generatora zbocza impulsu wprowadza się do pierwszego końca linii, wykrywa się odbite zbocze impulsu, który powraca od nieciągłości do pierwszego końca linii, a po określonym czasie od wykrycia zbocza odbitego impulsu wyzwala się wytworzenie następnego zbocza impulsu, tak że generator zbocza impulsu powtarzalnie wytwarza zbocze impulsu z częstotliwością związaną z opóźnieniem propagacji na długości linii i mierzy się tę częstotliwość. Publikacja DE 37 12 780 opisuje zatem, jak można wykryć nieciągłość w linii i przedstawia możliwość stosowania zamiast opóźnienia odwrotności tej wielkości, czyli dokładniej mówiąc częstotliwości.

Według publikacji DE 38 21 642 mierzy się opóźnienie w przewodzie pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem i za pomocą tak zwanego procesu stopera powoduje się zliczanie impulsów zegarowych o znacznie większej częstotliwości rozpoczynane wraz z emisją impulsu, przy czym procedura zliczania jest kontynuowana, aż odbiornik odbierze impuls. Zliczona wartość jest miarą opóźnienia.

Celem wynalazku jest opracowanie łopaty wirnika, w której można prostymi środkami wykrywać wygięcie.

Według wynalazku, w łopacie wirnika elektrowni wiatrowej, zawierającej przyłącze łopaty wirnika do połączenia z piastą wirnika elektrowni wiatrowej oraz końcówkę łopaty usytuowaną na przeciwległym końcu łopaty wirnika, przy czym na długości łopaty wirnika ułożony jest co najmniej jeden przewód elektryczny, charakterystyczne jest to, że posiada ona przewód elektryczny wyginany rozciągnięty

PL 216 993 B1 i połączony mechanicznie z łopatą wirnika na takim jej odcinku, na którym badane jest jej wygięcie, przy czym przewód elektryczny wyginany zaczyna się przy przyłączu łopaty wirnika, przebiega w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika i z powrotem do przyłącza łopaty wirnika i jest dalej podłączony elektrycznie do czujnika który mierzy jego rezystancję, przy czym czujnik jest elektrycznie podłączony do urządzenia oceniającego, które ocenia aktualne wygięcie łopaty wirnika na podstawie zmiany rezystancji, zaś urządzenie oceniające jest połączone z urządzeniem sterującym elektrownię wiatrową.

Łopata korzystnie posiada elektryczny przewód odniesienia do kompensacji temperaturowej połączony nieprostoliniowo z łopatą wirnika, który jest ułożony od przyłącza łopaty wirnika w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika i z powrotem, i jest podłączony do czujnika. W korzystnym wykonaniu wynalazku przewód elektryczny wyginany i/albo przewód odniesienia przebiegają od przyłącza łopaty wirnika na z góry określonej długości w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika i z powrotem, przy czym odległość ta jest mniejsza niż długość łopaty wirnika. Korzystne jest również, gdy co najmniej jeden z przewodów elektrycznych wyginanych i/albo elektryczny przewód odniesienia przebiega do końcówki łopaty wirnika. Łopata wirnika korzystnie posiada co najmniej jeden przewód elektryczny odgałęzienia, który jest krótszy niż długość łopaty wirnika i jest galwanicznie odgałęziony w z góry określonym miejscu względem przewodu elektrycznego, przebiegającego na długości łopaty wirnika.

Najkorzystniej, co najmniej jeden przewód elektryczny wyginany jest trwale dołączony do konstrukcji nośnej łopaty wirnika. Może to być zrealizowane w ten sposób, że przewód elektryczny wyginany jest zawarty w samej konstrukcji nośnej łopaty wirnika, albo przewód elektryczny wyginany oraz przewód odniesienia są zawarte w elemencie nośnym, który jest dołączony rozłączalnie do nośnej konstrukcji, albo też przewody elektryczne wyginane mają określoną z góry chropowatość powierzchni przy czym połączenie mechaniczne z otaczającym materiałem łopaty wirnika osiąga się na chropowatości powierzchni.

Korzystne jest, gdy przewód elektryczny wyginany oraz elektryczny przewód odniesienia są wykonane z aluminium.

Przewody elektryczne wyginane i/albo elektryczny przewód odniesienia w obszarze nasady łopaty wirnika, są korzystnie dołączone do wtykowego złącza.

Jak wspomniano wyżej, co najmniej jeden przewód elektryczny jest ułożony na długości łopaty wirnika, przy czym ten elektryczny przewód zaczyna się przy przyłączu łopaty wirnika, przebiega w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika i z powrotem do przyłącza łopaty wirnika, a ponadto zastosowany jest czujnik, który mierzy rezystancję przewodu i jest dołączony do urządzenia oceniającego rezystancję.

W związku z tym wynalazek oparty jest na spostrzeżeniu, że wygięcie łopaty wirnika zawsze powoduje wydłużenie konstrukcji nośnej, a to wydłużenie, przeniesione na przewód elektryczny, powoduje zmianę rezystancji przewodu, można go nazwać przewodem wyginanym.

Ponieważ taka zmiana rezystancji jest proporcjonalna do wydłużenia przewodu, można powiedzieć, że zmiana rezystancji jest proporcjonalna do stopnia wygięcia łopaty wirnika. W najprostszym przypadku możliwe jest określenie granicznej wartości zmiany rezystancji, a fakt przekroczenia tej wartości granicznej równocześnie oznacza wygięcie łopaty wirnika w stopniu powodującym uszkodzenie konstrukcji. Zauważenie takiej sytuacji umożliwia zatem we właściwym czasie wymianę lub sprawdzenie łopaty wirnika, aby podjąć decyzję, czy łopata wirnika ma być wymieniona, czy też nie.

W korzystnym przykładzie realizacji wynalazku obciążenie elektrowni wiatrowej może być wyznaczane na podstawie obciążenia łopaty wirnika, a elektrownię wiatrową można wyłączyć przy przekroczeniu określonej wartości granicznej. Unika się dzięki temu dalszych i silniejszych obciążeń.

Aby umożliwić kompensację zależnej od temperatury zmiany rezystancji przewodu elektrycznego i/lub uzyskać wiele wyników pomiaru, można zastosować wiele przewodów elektrycznych. Przewody te przebiegają w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika i są dołączone do czujnika. W takim przypadku wiele przewodów może być dołączone do czujnika lub każdy przewód może być dołączony do swego własnego czujnika. Przewód przeznaczony do kompensacji temperatury, który można nazwać przewodem odniesienia, jest umieszczony w taki sposób, że nie podlega obciążeniu gnącemu, a podlega tylko zmianie rezystancji w zależności od temperatury. W ten sposób zmiana rezystancji spowodowana przez temperaturę jest znana i może być odpowiednio uwzględniona.

Większość przewodów pozwala na ich również redundancyjne wykorzystanie. W przypadku problemu z jednym przewodem zmianę rezystancji można zawsze jeszcze zmierzyć za pomocą przewodów redundancyjnych. Eliminuje to konieczność drogiej naprawy spowodowanej przez uszkodzenie przewodu.

PL 216 993 B1

Ponadto, zastosowanie przewodów redundancyjnych umożliwia również porównawcze określenie zmiany rezystancji. Dzięki temu każdy z przewodów może być kontrolowany przez porównanie z innymi wykrytej zmiany rezystancji.

Zgodnie ze szczególnie korzystną cechą co najmniej jeden z przewodów elektrycznych wyginanych przebiega na określoną odległość w kierunku wzdłuż łopaty wirnika, przy czym odległość ta jest jednak krótsza niż długość łopaty wirnika. Przewód ten nie sięga do wierzchołka łopaty wirnika, ale kończy się w określonym miejscu na łopacie wirnika. W ten sposób poszczególne przewody wyginane podlegają różnemu oddziaływaniu w zależności od wygięcia łopaty wirnika i odpowiedniej zmiany ich rezystancji. Dlatego dokładny kształt wygięcia można określić z różnych wartości zmiany rezystancji.

W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku przewody, które są krótsze niż długość łopaty wirnika, mogą mieć również postać odgałęzień przewodu, który przebiega na całej długości łopaty wirnika. W tym celu są one galwanicznie dołączone w określonych miejscach do przewodu, który przebiega na całej długości łopaty wirnika. W ten sposób poziom rozdzielczości wygięcia łopaty wirnika można zmieniać w zależności od liczby i odstępów odgałęzień.

Aby uniknąć niepożądanego odkształcenia przewodów elektrycznych wyginanych, są one korzystnie dołączone do konstrukcji nośnej łopaty wirnika, a według szczególnie korzystnej właściwości są zawarte w konstrukcji nośnej łopaty wirnika. W takim przypadku według szczególnie korzystnej właściwości przewody wyginane, czyli te, które mają być rozciągane przez wygięcie łopaty wirnika, są wprowadzone w konstrukcję nośną. Przewody, które są galwanicznie dołączone jako odgałęzienia do takich przewodów i które spełniają tu zadanie przewodów powrotnych, mogą być również ułożone swobodnie na zewnątrz konstrukcji nośnej, np. w postaci kabla.

W związku z tym, szczególnie korzystne jest zastosowanie co najmniej jednego przewodu elektrycznego wyginanego w każdej konstrukcji nośnej w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika. Rozwiązanie takie umożliwia również wykrywanie kierunku wygięcia łopaty wirnika, ponieważ jeden z przewodów elektrycznych jest poddawany rozciąganiu, a zatem jego rezystancja zmienia się, dokładniej zwiększa się, natomiast co najmniej jeden inny przewód wyginany nie jest rozciągany. Przy odpowiedniej konstrukcji montażowej przewód ten jest raczej poddawany obciążeniu ściskającemu zamiast obciążeniu rozciągającemu, a zatem jego długość raczej zmniejsza się, a nie zwiększa. Odpowiednio jego rezystancja zmienia się najwyżej w przeciwnym kierunku. Rezystancja ta zatem maleje.

Według szczególnie korzystnej właściwości przewody elektryczne według wynalazku zawierają co najmniej jeden określony składnik aluminiowy lub są z aluminium. Umożliwia to już znaczną zmianę rezystancji w zakresie odkształceń sprężystych przewodu, przy czym ta zmiana rezystancji jest całkowicie odwracalna, a zatem powtarzalna. W odpowiedni sposób wygięcie łopaty wirnika może być stale monitorowane bez konieczności wymiany przewodów elektrycznych wyginanych lub nawet całej łopaty wirnika po wystąpieniu wygięcia. Należy zauważyć, że w zasadzie każdy przewód elektryczny nadaje się jako czujnik. Jednakże przewód taki powinien mieć powierzchnię o określonej chropowatości, aby uzyskać dobre połączenie mechaniczne z otaczającym materiałem.

Aby nie trzeba było wymieniać całej łopaty wirnika w przypadku problemu w obszarze przewodów elektrycznych, np. po nadmiernym rozciągnięciu lub na skutek wad materiałowych, przewody są korzystnie wprowadzone w człon, który jest dołączony do konstrukcji nośnej rozłączalnie. Taki przykład realizacji wynalazku umożliwia również stosowanie go w już wyprodukowanych łopatach wirnika.

Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji jest wyjaśniony za pomocą rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia widok z góry łopaty wirnika według pierwszego przykładu realizacji wynalazku w częściowym przekroju, fig. 2 przedstawia widok z góry łopaty wirnika według drugiego przykładu realizacji wynalazku w częściowym przekroju, fig. 3 przedstawia widok z góry łopaty wirnika według trzeciego przykładu realizacji wynalazku w częściowym przekroju.

fig. 4 jest uproszczonym widokiem z boku łopaty wirnika, która jest wygięta w pierwszy sposób, fig. 5 jest uproszczonym widokiem z boku łopaty wirnika, która jest wygięta w drugi sposób, fig. 6 przedstawia uproszczony przekrój łopaty wirnika, fig. 7 przedstawia dalszy uproszczony przekrój łopaty wirnika, fig. 8 przedstawia przebieg rezystancji przewodu użytego według wynalazku, fig. 9 przedstawia realizację łopaty wirnika według wynalazku wraz z wykresami pomiarowymi b) - e) w przypadku analogowego przesunięcia fazy,

PL 216 993 B1 fig. 10 przedstawia schemat urządzenia pomiarowego według wynalazku a) w przypadku łopaty wirnika oraz wynikowe wykresy pomiarowe w przypadku cyfrowego przesunięcia fazy (b) - (d)), fig. 11 przedstawia schemat łopaty wirnika z przewodem pomiarowym, fig. 12 przedstawia schemat z fig. 11 z doprowadzonym prądem lub napięciem, fig. 13 przedstawia schemat łopaty wirnika według wynalazku z przewodem pomiarowym w przypadku wprowadzenia impulsu wejściowego i pomiaru impulsu wyjściowego, jak również odpowiadający wykres czasowy, fig. 14 przedstawia układ połączeń do procesu stopera wraz z wykresem czasowym, a fig. 15 przedstawia układ z fig. 14, ale przy zastosowaniu światłowodów, z pokazaniem odpowiadającego pomiarowego wykresu czasowego.

Figura 1 jest widokiem z góry łopaty 10 wirnika. Aby wyraźnie pokazać konstrukcję, łopata 10 wirnika przedstawiona jest w częściowym przekroju, tak że można zobaczyć ułożenie dwóch przewodów 20, 22.

Łopata 10 wirnika jest zamontowana za pomocą nasady 11 łopaty wirnika na piaście 12 elektrowni wiatrowej, która jest jedynie zaznaczona dla orientacji tu i na innych rysunkach. Przewód wyginany 20 i przewód odniesienia 22 przebiegają w łopacie wirnika od nasady 11 łopaty wirnika w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika do końcówki łopaty wirnika i z powrotem. Każdy z tych przewodów wyginanych i odniesienia 20, 22 zawiera przewód wejściowy 20a, 22a i przewód powrotny 20b, 22b. Oba przewody wyginane i odniesienia 20, 22 są dołączone do czujnika 16, który określa ich rezystancję.

W tym przypadku przewód wyginany 20 pokazano jako prosty. Jest to przedstawienie symboliczne faktu, że przewód ten jest dołączony do łopaty wirnika W taki sposób, że rozciąganie konstrukcji łopaty wirnika prowadzi też do rozciągania tego przewodu wyginanego 20. Przewód odniesienia 22 pokazano jako położony nieprostoliniowo w obszarze końcówki 13 łopaty wirnika. Oznacza to, że przewód ten nie jest dołączony do łopaty 10 wirnika w taki sposób, że jest odkształcany wraz z nią. Przewód odniesienia powinien być nieodkształcany. Jego rezystancja odpowiednio zmienia się przede wszystkim w zależności od temperatury, tak że wpływ temperatury na zmianę rezystancji jest znany i może być uwzględniany przy wykrywaniu zmiany rezystancji elektrycznego przewodu wyginanego 20 i nie prowadzi do błędnych wyników.

Czujnik 16 może być dołączony do systemu sterowania elektrowni wiatrowej tak, że ugięcie łopat wirnika może być również uwzględniane w pracy elektrowni wiatrowej.

Figura 2 przedstawia konstrukcję podobną do już opisanej na podstawie fig. 1. Należy zauważyć, że przedstawiono tu cztery elektryczne przewody wyginane 20, 24, 25, 26. Przewodu odniesienia do kompensacji temperatury nie pokazano w celu zachowania lepszej przejrzystości rysunku, ale oczywiście może być on również zastosowany w tym przykładzie wykonania.

Na tym rysunku wszystkie cztery elektryczne przewody wyginane 20, 24, 25, 26 są dołączone do łopaty 10 wirnika w taki sposób, że nadążają one za ugięciem łopaty 10 wirnika. Ponieważ jednak przewody te przebiegają na różnej długości w kierunku wzdłużnym łopaty 10 wirnika, możliwe jest wywnioskowanie postaci całego odkształcenia łopaty 10 wirnika ze zmiany rezystancji poszczególnych przewodów, jeśli ich długość jest znana.

Gdyby istniał tylko pierwszy przewód wyginany 20, który przebiega aż do końcówki 13 łopaty wirnika, byłoby możliwe wyciągnięcie wniosków co do ugięcia jako takiego ze zmiany rezystancji. Ponieważ jednak drugi przewód wyginany 25 nie przebiega aż do końcówki 13 łopaty wirnika, możliwe jest wnioskowanie ze zmiany rezystancji pierwszego przewodu 20, czy ugięcie występuje przy końcówce łopaty wirnika. Jeżeli nie ma zmian rezystancji w pozostałych przewodach wyginanych 24, 25, 26, czyli zmian rezystancji w następstwie odkształcenia, wtedy rozpoznawalne ugięcie jest ograniczone tylko do obszaru zewnętrznego łopaty 10 wirnika w pobliżu końcówki łopaty wirnika.

Jeżeli zmiany rezystancji występują w przewodach wyginanych 20, 24 i 25 natomiast rezystancja przewodu wyginanego 26 pozostaje bez zmian, oznacza to, że łopata wirnika jest wygięta w przybliżeniu w zewnętrznej połowie w kierunku wzdłużnym.

Na rysunku tym przewody wyginane 20, 24, 25, 26 są również dołączone do czujnika 16, który z kolei może być dołączony do systemu sterowania elektrownią wiatrową.

Na fig. 3 przedstawiono alternatywny przykład realizacji wynalazku. Przewód 20 przebiega w łopacie 10 wirnika od czujnika 16 wzdłuż całej długości łopaty wirnika, aż do końcówki 13 łopaty wirnika. Wyginane przewody odgałęzione 28 są dołączone do pierwszego przewodu wyginanego 20 przez galwaniczne połączenie 29. Wybór liczby i usytuowania wyginanych przewodów odgałęzionych 28 może określać, które obszary łopaty 10 wirnika mają być monitorowane z jaką dokładnością.

PL 216 993 B1

Albo też, inaczej mówiąc, z jaką dokładnością i w którym obszarze łopaty 10 wirnika wykrywane ma być ugięcie.

W szczególności, w przykładzie wykonania przedstawionym na tym rysunku jest oczywiste, że korzystne jest zastosowanie złącza wtykowego w obszarze nasady 11 łopaty wirnika (chociaż tego nie pokazano), ponieważ przy wytwarzaniu łopaty 10 wirnika przewody wyginane 20, 28 mogą być już dołączone do złącza wtykowego i można sprawdzić połączenia. Po montażu łopaty wirnika na miejscu budowy możliwe jest następnie użycie kabli, które zostały już wykonane z przeznaczeniem do realizacji połączenia z czujnikiem. Zapewnia to prosty montaż o niewielkim prawdopodobieństwie popełnienia błędu.

Figura 4 jest uproszczonym widokiem z boku wygiętej łopaty 10 wirnika. Na rysunku tym przedstawiono również obszar nasady 11 łopaty, zaznaczoną piastę 12 i czujnik 16. W tym przypadku odległość przewodów wyginanych 20 od powierzchni łopaty 10 wirnika nie powinna być w żaden sposób interpretowana jako zachowująca skalę. Przy takim mierzeniu stopnia ugięcia jest ono dokładniejsze, im bliżej powierzchni łopaty 10 wirnika przebiegają przewody wyginane 20. Dla jasności rysunku rozróżniono powierzchnię łopaty 10 wirnika i przewody wyginane 20. Łopata 10 wirnika jest wygięta na tym rysunku do dołu. Ta strona łopaty 10 wirnika, która jest zwrócona do kierunku ugięcia, jest na rysunku usytuowana od dołu, natomiast przeciwległa strona jest usytuowana od góry.

Z rysunku tego wynika, że pierwszy przewód wyginany 20 jest usytuowany przy górnej stronie łopaty 10 wirnika, a drugi przewód wyginany 21 jest usytuowany przy dolnej stronie. Przy przedstawionym ugięciu łopaty wirnika pierwszy przewód wyginany 20 przy górnej stronie łopaty wirnika jest rozciągnięty i wykazuje znaczną zmianę rezystancji, co może być wychwycone przez czujnik 16. Przy takim wygięciu łopaty wirnika drugi przewód wyginany 21 przy dolnej stronie łopaty 10 wirnika nie jest rozciągany, ale jest ściskany. Z pewnością nie powoduje to żadnego zwiększania rezystancji tego przewodu. W konsekwencji, kierunek wygięcia łopaty wirnika można wywnioskować ze zmiany rezystancji pierwszego przewodu wyginanego 20 przy górnej stronie łopaty 10 wirnika.

Figura 5 przedstawia przypadek specjalny wygięcia łopaty 10 wirnika, który jednakże nie jest niczym niezwykłym w praktyce. W tym przypadku łopata wirnika jest wyginana w swym obszarze środkowym w kierunku strzałki A (do dołu), ale w swym obszarze zewnętrznym blisko końcówki 13 łopaty wirnika jest wyginana w kierunku zgodnym ze strzałką B, to znaczy w kierunku górnej strony łopaty wirnika. Wyposażenie łopaty 10 wirnika w przewody wyginane 20, 21, które obydwa przebiegają aż do końcówki 13 łopaty wirnika, będzie powodować rozciąganie obu tych przewodów.

Jeśli odrzucić sytuację uszkodzenia, można już na tej podstawie wywnioskować niebezpieczne wygięcie łopaty 10 wirnika i odpowiednio sterować elektrownią, np. wyłączyć ją. Należy jednak zauważyć, że nie można jeszcze na tej podstawie wywnioskować rzeczywistego kształtu wygięcia łopaty wirnika. Jeżeli zastosowane są kolejne przewody wyginane 23, 25, które nie przebiegają aż do końcówki 13 łopaty wirnika, wówczas w sytuacji przedstawionego wygięcia przewód wyginany 25 jest również rozciągany i dlatego jego rezystancja odpowiednio się zwiększa. Odpowiednio rzeczywiste wygięcie łopaty 10 wirnika można wywnioskować z pomiaru rezystancji lub zmian rezystancji przewodów wyginanych 20, 21, 23, 25 za pomocą czujnika 16. W związku z tym należy podkreślić jeszcze raz, że przewody wyginane 20, 21, 23, 25 przebiegają bardzo blisko siebie i możliwie blisko odpowiednich powierzchni łopaty 10 wirnika, tak że wynikające z tego rysunku rozciągnięcie drugiego przewodu wyginanego 23 po stronie dolnej łopaty wirnika w rzeczywistości nie występuje.

Alternatywnie wobec tego przykładu wykonania z wieloma przewodami wyginanymi 20, 21, 23, 25 o różnych długościach, które mogą tu być w postaci pętli przewodowych, przykład realizacji wynalazku pokazany na fig. 1 można oczywiście stosować również przy górnej stronie i/lub przy dolnej stronie łopaty 10 wirnika. Wynikają stąd oczywiście również opisane tu zalety, zwłaszcza możliwość osiągnięcia określonego stopnia dokładności wykrywania ugięcia łopaty wirnika przez wybór liczby i odstępu odgałęzień.

Na fig. 6 i 7 przedstawiono uproszczone przekroje poprzeczne łopaty wirnika według wynalazku. W łopacie wirnika przedstawionej na fig. 6 są pokazane nośne konstrukcje 34, 36 przebiegające w kierunku wzdłużnym. Te nośne konstrukcje 34, 36 mogą być przykładowo pasami włókien, to znaczy konstrukcjami nośnymi utworzonymi z pęków włókien szklanych i żywicy epoksydowej, które przebiegają zasadniczo na całej długości łopaty wirnika.

W nośnych konstrukcjach 34, 36 są osadzone elektryczne przewody wyginane i odniesienia 20, 21, 22, 23. Przewody wchodzące i przewody powrotne są odpowiednio oznaczone literami a i b, aby

PL 216 993 B1 było wiadomo, że każdy układ dotyczy przewodu przebiegającego od podstawy łopaty wirnika w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika i z powrotem.

Zastosowanie przewodów wyginanych i odniesienia 20, 21, 22, 23 w nośnych konstrukcjach 34, 36 oznacza, że ich przebieg można bardzo dokładnie określić. Dzięki temu, że przebiegają one możliwie blisko odpowiedniej powierzchni łopaty wirnika możliwe jest wyciąganie wniosków ze zmian rezystancji z odpowiednim stopniem pewności.

Na fig. 7 przedstawiono również nośne konstrukcje 34, 36. W tym przypadku należy jednak zauważyć, że przewody wyginane i odniesienia 20, 21, 22, 23 nie są ulokowane w samych nośnych konstrukcjach 34, 36, ale w nośnych elementach 38. Te elementy nośne 38 mogą mieć taką samą konstrukcję jak nośne konstrukcje 34, 36, tak aby współpraca elementów nośnych 38 z przewodami wyginanymi i odniesienia 20, 21,22, 23 dokładnie odpowiadała współpracy przewodu z nośnymi konstrukcjami 34, 36.

W takim przypadku elementy nośne 38 mogą być nieruchomo, ale rozłączalnie dołączone do nośnych konstrukcji 34, 36. Gdyby konieczna była wymiana przewodu ze względu na wady materiałowe lub inne uszkodzenie, niekoniecznie powoduje to utratę całej łopaty wirnika lub bardzo kosztowną jej naprawę, ale odpowiedni element nośny 38 odłącza się od nośnej konstrukcji 34, 36 i wymienia się na nowy.

Taki przykład realizacji wynalazku, dzięki możliwości stosownego wyboru, jeśli chodzi o połączenie pomiędzy nośnymi konstrukcjami 34, 36 i elementami nośnymi 38 lub również połączenie pomiędzy powierzchnią łopaty 10 wirnika (oczywiście wewnętrzną) a elementami nośnymi 38 umożliwia zastosowanie wynalazku w łopatach wirnika, które zostały już wykonane.

Na fig. 8 przedstawiono przebieg doświadczalnie sprawdzonej rezystancji przewodu w zależności od naprężenia rozciągającego. Lewy zakres 40 ma przebieg linii prostej, w środkowym zakresie 42 krzywa wznosi się znacznie, natomiast w prawym zakresie 44 krzywa początkowo przebiega w linii prostej, zanim znów następuje gwałtowne zwiększenie rezystancji z późniejszym zmniejszeniem rezystancji i końcowy wzrost rezystancji. Zakres 44 krzywej po prawej stronie jest charakterystyczny dla rozrywania przewodu elektrycznego przy zbyt dużej wartości naprężenia rozciągającego. Natomiast zmiana rezystancji w środkowym zakresie 42 przebiegu krzywej mieści się w zakresie sprężystego odkształcania przewodu elektrycznego. W szeregu pomiarów przy wyznaczaniu tej krzywej zakres odkształcenia sprężystego przewodu elektrycznego stwierdzono przy rozciąganiu w kierunku wzdłużnym mniejszym niż 1% długości przewodu, a w przypadku aluminium w szczególności w zakresie 0,3%. Rozciąganie przewodu aluminiowego w kierunku wzdłużnym o 0,3% jest zatem odkształceniem sprężystym, które jednak powoduje znaczną i wykrywalną zmianę rezystancji. Stwierdzono to w szeregu pomiarów, aż do 25 ΜΩ.

Ponieważ odkształcenie jest sprężyste, przewód elektryczny nie zostaje przez nie uszkodzony, a zmiana rezystancji jest powtarzalna. Wygięcie łopaty wirnika można powtarzalnie wykrywać za pomocą tych samych przewodów elektrycznych.

Na fig. 9 i 10 przedstawiono odpowiednio uzupełnienie i alternatywę opisanego powyżej procesu lub sposobu. Sposób można realizować za pomocą sygnałów analogowych i/lub cyfrowych. W obu rozwiązaniach przedstawionych na fig. 9 i 10 wspólne jest to, że opóźnienie sygnału w obwodzie nie wpływa na procedurę wykrywania opóźnienia. Dzięki temu można oznaczyć rzeczywiste opóźnienie w linii przewodów.

Rozwiązania analogowe i cyfrowe na fig. 9 i 10 są zasadniczo porównywalne. W obu przypadkach pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem są dwie linie, mianowicie linia przewodów odniesienia 51, której długość nie zmienia się oraz równolegle z nią pomiarowa linia przewodów wyginanych 50, której rozciągnięcie umożliwia pomiar wygięcia np. łopaty wirnika. Oprócz tego, że można tu porównywać opóźnienia pomiędzy linią przewodów odniesienia 51 a pomiarową linią przewodów wyginanych 50, te dwie linie podlegają również takim samym oddziaływaniom termicznym, tak że ich wpływ jest kompensowany.

W układzie analogowym (pierwsza alternatywa) w stanie spoczynku sygnał odniesienia (analogowy sygnał elektryczny) i sygnał pomiarowy są zgodne w fazie. Występuje zatem sygnał zsumowany o takiej samej częstotliwości, ale o większej amplitudzie.

Jeżeli nastąpi przesunięcie fazy na skutek rozciągnięcia pomiarowego przewodu wyginanego, zmianie ulega również oczywiście sygnał zsumowany. Z jednej strony wartość międzyszczytowa jest mniejsza niż w przypadku sygnałów zgodnych w fazie, a ponadto występuje również zmiana obwiedni zsumowanego sygnału.

PL 216 993 B1

Sposób wykrywania takich zmian jest dobrze znany w tej dziedzinie techniki. Widać, że amplituda maleje, aż do przesunięcia fazy o 180°. Poza tym zakresem, aż do pełnego okresu, trzeba również brać pod uwagę znaki, aby otrzymać poprawną informację dotyczącą położenia fazowego.

W przypadku rozwiązania cyfrowego ze zgodnym w fazie wprowadzaniem sygnałów do odbiornika uzyskuje się najmniejszą średnią arytmetyczną (oczywiście również w zależności od współczynnika wypełnienia przebiegu impulsowego). Zakładając, że współczynnik wypełnienia jest nadal taki sam, jednakże średnia arytmetyczna zwiększa się wraz ze wzrostem przesunięcia fazy pomiędzy sygnałem odniesienia a sygnałem pomiarowym. Jest ona zatem miarą przesunięcia fazy sygnałów w odbiorniku.

Opisany powyżej proces można realizować z sygnałami elektrycznymi, optycznymi, a zasadniczo również z sygnałami akustycznymi. Zasadniczo sytuacja jest taka, że przy niewielkim rozciągnięciu korzystne jest wybranie wysokiej częstotliwości (to znaczy częstotliwości większej niż 1 kHz, korzystnie wynoszącej kilka MHz), natomiast w przypadku dużego rozciągnięcia korzystny jest wybór niskiej częstotliwości, by otrzymać odpowiednie przesunięcie fazy w obrębie jednego okresu.

Na fig. 11 (podobnie jak na fig. 9 i 10) przedstawiono łopatę 10 wirnika z pomiarową linią przewodów 50 umieszczoną w niej, korzystnie w powierzchni łopaty wirnika w postaci przewodu pomiarowego (lub światłowodu). Obciążenia mechaniczne (spowodowane przez wiatr) zginają łopatę wirnika i przewód wyginany jest rozciągany lub jego długość zmniejsza się. Taka zmiana obciążenia jest zatem proporcjonalna do zmiany długości:

AF ~ ΔΙ

Należy oczekiwać zmiany długości w zakresie 0,0% - 0,2%, czemu odpowiada zmiana obciążenia 0,0 - 100%. Zadanie polega zatem na określeniu zmiany długości z najwyższym możliwym poziomem rozdzielczości.

W pierwszym rozwiązaniu rezystancję przewodu można przyjąć za proporcjonalną do długości, a zatem również do obciążenia.

AR ~ ΔΙ ~ AF

Do przewodu doprowadzany jest prąd i mierzy się na nim spadek napięcia, jak pokazano na fig. 2.

Testy wykazały, że zasada ta nadaje się do wykorzystania w praktyce.

Istnieją jednak pewne problemy, ponieważ wymagana jest duża dokładność pomiaru (< 0,002%), gdyż sygnał stanowi 0,2% wartości bezwzględnej i musi być też podzielony na co najmniej 100 stopni. Ponadto rezystancja przewodu zmienia się bardzo silnie w zależności od temperatury przewodu. Na sygnał nałożone są szumy, które mogą być wytwarzane przez pola elektryczne i magnetyczne. Jest to zauważalne szczególnie podczas burzy. Przewód z dołączonym obwodem elektronicznym może zostać uszkodzony przez bezpośrednie uderzenie pioruna.

Alternatywne rozwiązanie pokazano na fig. 13. W tym przypadku długość przewodu wyginanego jest określona przez opóźnienie impulsu. Prędkość wynosi 2/3 prędkości światła, czyli około 200.000 km/s.

Jak to widać z fig. 13:

At ~ ΔΙ ~ AF a zmiana czasu przejścia jest miarą obciążenia.

Przy założonej długości linii 40 m daje to t = 200 ns z nałożeniem At 0-400 ps.

Ponieważ czas taki nie jest łatwo zmierzyć, tworzy się odwrotność, określoną dokładniej jako:

f= -t+ ńt

Chodzi teraz zatem o częstotliwość.

Wartości częstotliwości są bardzo łatwo określane z żądaną ostatecznie dokładnością (przez dostosowanie czasu bramkowania licznika częstotliwości).

Częstotliwość wyznacza się teraz z opóźnienia sygnału poprzez procedurę, według której impuls przychodzący natychmiast powoduje wysłanie świeżego impulsu do linii (proces stopera). Liczba impulsów emitowanych w czasie jednej sekundy wyznacza częstotliwość.

Na fig. 14 przedstawiono schemat odpowiedniego obwodu wraz z odpowiednim wykresem czasowym.

PL 216 993 B1

Impuls jest zastępowany zmianą poziomu i zgodnie z oczekiwaniem otrzymuje się częstotliwość;

1 f = — , przy czym t = ²(l^c)

Przy długości przewodu 40 m daje to:

·40 m , _λj .200 · 10^{6 m}/_s ^{+ At} = 2,5 MHz

Ze względu na wpływ obciążenia występują częstotliwości w zakresie 2,5 - 2,505 MHz, czyli zmiana wartości o 5000 Hz.

Licznik częstotliwości o czasie bramkowania 20 ms dawałby 50 wartości na sekundę z rozdzielczością względem obciążenia 1%. Wartości te zawierają wtedy już wartości średnie 50 indywidualnych pomiarów długości.

Zaletą jest wtedy to, że nie potrzeba żadnego czułego analogowego systemu czujnikowego, ponieważ jest duży stosunek sygnału do szumu (0 V lub 10 V) i nie ma kłopotliwych zmian opóźnienia na skutek wahań temperatury.

Odbywa się to w szczególności zgodnie z rozwiązaniem z fig. 9 i 10, gdzie poza linią pomiarową jest również linia odniesienia.

Opisane powyżej rozwiązanie może być również realizowane optycznie. W takim przypadku przewód zastępowany jest światłowodem, a sprzężenie zwrotne realizowane jest przez nadajnik i odbiornik światłowodowy, jak pokazano na fig. 15.

W takim przypadku zalety polegają zwłaszcza na tym, że nie jest potrzebny wrażliwy analogowy system czujnikowy, ponieważ jest duży stosunek sygnału do szumu (światło włączone lub wyłączone), nie ma kłopotliwych zmian opóźnienia na skutek wahań temperatury, nie ma zakłóceń szumowych na światłowodzie na skutek pól elektrycznych lub magnetycznych i nie należy też oczekiwać żadnych oddziaływań powodowanych przez uderzenie pioruna.

Należy oczekiwać, że w praktyce wygięcie łopaty będzie już mierzone przy zmianie długości mniejszej niż 1 mm. Ponieważ przedmiotowe zgłoszenie podaje, że rozwiązanie według wynalazku ma być stosowane w odniesieniu do zmiany długości łopaty wirnika, należy zauważyć, że możliwe jest również mierzenie skręcenia łopaty wirnika, jeżeli linia pomiarowa jest odpowiednio umieszczona na kształt spirali na powierzchni łopaty wirnika, tak że skręcenie łopaty wirnika powoduje również automatycznie zmianę długości zwiniętej linii przewodów.

W szczególności sposób mierzenia według wynalazku można również wykorzystywać do monitorowania przez procedurę pomiarową części łopaty wirnika pod względem ich obciążenia, jak również rozciągnięcia wzdłużnego, co może być bardzo pomocne zwłaszcza w obszarze końcówki łopaty, kiedy występują podmuchy wiatru, aby wykrywać lepiej niż dotychczas zagrożenia związane w specyficznym indywidualnym przypadku z danymi obciążeniami łopaty.

Należy wyraźnie podkreślić, że to, co przedstawiono na fig. 11 - 14, można oczywiście połączyć też łatwo z tym, co przedstawiono na innych rysunkach. Jeśli chodzi o proces stopera, jest tu oczywiste, że oznacza to między innymi, że stoper jest zatrzymywany po odebraniu emitowanego impulsu i uruchamiany z powrotem za każdym razem i odpowiednio wyznacza częstotliwość cykli stop-start w danym zakresie czasowym, np. 1 s.

W związku z tym, możliwe jest stosowanie dowolnego kształtu sygnału impulsowego, między innymi również zawężonego sygnału impulsowego zgodnie z funkcją sin x/x.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Łopata wirnika elektrowni wiatrowej, zawierająca przyłącze łopaty wirnika do połączenia z piastą wirnika elektrowni wiatrowej oraz końcówkę łopaty usytuowaną na przeciwległym końcu łopaty wirnika, przy czym na długości łopaty wirnika ułożony jest co najmniej jeden przewód elektryczny, znamienna tym, że posiada co najmniej jeden przewód elektryczny wyginany (20, 21,23, 24, 25, 26, 28) rozciągnięty i połączony mechanicznie z łopatą wirnika (10) na takim jej odcinku, na którym badane jest jej wygięcie, przy czym przewód elektryczny wyginany (20, 21, 23, 24, 25, 26, 28) zaczyna się

PL 216 993 B1 przy przyłączu łopaty wirnika (10), przebiega w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika (10) i z powrotem do przyłącza łopaty wirnika (10) i jest dalej podłączony elektrycznie do czujnika (16), który mierzy jego rezystancję, przy czym czujnik (16) jest elektrycznie podłączony do urządzenia oceniającego, które ocenia aktualne wygięcie łopaty wirnika (10) na podstawie zmiany rezystancji, zaś urządzenie oceniające jest połączone z urządzeniem sterującym elektrownię wiatrową.
2. Łopata według zastrz. 1, znamienna tym, że posiada elektryczny przewód odniesienia (22) do kompensacji temperaturowej połączony nieprostoliniowo z łopatą wirnika (10).
3. Łopata według zastrz. 2, znamienna tym, że elektryczny przewód wyginany (20, 21,23, 24, 25, 26, 28) i/albo przewód odniesienia (22) są ułożone jako linie złożone z wielu przewodów i przebiegają od przyłącza łopaty wirnika w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika i z powrotem, przy czym przewody (20, 21,22, 23, 24, 25, 26, 28) są podłączone do czujnika (16).
4. Łopata według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że co najmniej jeden przewód elektryczny wyginany (20, 21, 23, 24, 25, 26, 28) i/albo przewód odniesienia (22) przebiegają od przyłącza łopaty wirnika na z góry określonej długości w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika i z powrotem, przy czym odległość ta jest mniejsza niż długość łopaty wirnika.
5. Łopata według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że co najmniej jeden z przewodów elektrycznych wyginanych (20, 21,23, 24, 25, 26, 28) i/albo elektryczny przewód odniesienia (22) przebiega do końcówki (13) łopaty wirnika.
6. Łopata według zastrz. 1, znamienna tym, że posiada co najmniej jeden przewód elektryczny odgałęzienia (28), który jest krótszy niż długość łopaty wirnika i jest galwanicznie odgałęziony w z góry określonym miejscu względem przewodu elektrycznego (20), przebiegającego na długości łopaty wirnika.
7. Łopata według zastrz. 1, znamienna tym, że co najmniej jeden przewód elektryczny wyginany (20, 21, 23, 24, 25, 26, 28) jest trwale dołączony do konstrukcji nośnej (34, 36) łopaty (10) wirnika.
8. Łopata według zastrz. 7, znamienna tym, że przewód elektryczny wyginany (20, 21, 23, 24, 25, 26, 28) jest zawarty w samej konstrukcji nośnej (34, 36) łopaty (10) wirnika.
9. Łopata według zastrz. 7 albo 8, znamienna tym, że przewód elektryczny wyginany (20, 21,

23, 24, 25, 26, 28) oraz przewód odniesienia (22) jest zawarty w elemencie nośnym (38), który jest dołączony rozłączalnie do nośnej konstrukcji (34, 36).
10. Łopata według zastrz. 1, znamienna tym, że przewody elektryczne wyginane (20, 21, 23,

24, 25, 26, 28) mają określoną z góry chropowatość powierzchni przy czym połączenie mechaniczne z otaczającym materiałem łopaty wirnika osiąga się na chropowatości powierzchni.
11. Łopata według zastrz. 1, znamienna tym, że przewód elektryczny wyginany (20, 21, 23, 24,

25, 26, 28) oraz elektryczny przewód odniesienia (22) są wykonane z aluminium.
12. Łopata według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że przewody elektryczne wyginane (20, 21, 23, 24, 25, 26, 28), i/albo elektryczny przewód odniesienia (22) w obszarze nasady (11) łopaty wirnika, są dołączone do wtykowego złącza.