PL195098B1

PL195098B1 - Łopata wirnika elektrowni wiatrowej

Info

Publication number: PL195098B1
Application number: PL99349338A
Authority: PL
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2007-08-31
Also published as: HU229177B1; WO2000034651A1; TR200101479T2; BG64633B1; CN1329696A; PT1141543E; CN1317507C; MXPA01005649A; NO20012828D0; US6729846B1; HUP0104638A2; ES2230913T3; SK7722001A3; NO20012828L; AU1974300A; NZ511846A; CZ298956B6; JP2002531771A; BR9916091A; IL143444A0

Abstract

1. Lopata wirnika elektrowni wiatrowej ze srodkami do zmniejszania halasu wytwarzane- go przez lopate wirnika, znamienna tym, ze srodki te sa utworzone przez odpychajaca plyny warstwe i/albo powierzchnie przewidziana co najmniej na czesci powierzchni lopaty wirnika. PL PL PL PL

Description

Łopaty wirników elektrowni wiatrowych znane są w wielu różnych postaciach. W elektrowni wiatrowej wirniki lub ich łopaty stanowią główne źródło hałasu. Ze względu na przepisy prawne dotyczące hałasu trzeba pracować nad tym, aby wytwarzany hałas był możliwie niewielki, ponieważ elektrownie wiatrowe często ustawiane są w pobliżu budynków mieszkalnych. Hałas powstający dotychczas przy pracy elektrowni wiatrowej lub przetwornika energii wiatru powodował to, że wobec elektrowni wiatrowych pojawiały się sprzeciwy ludności spowodowane wytwarzanym hałasem i dlatego urządzenia te przebijały się z trudnością lub całkiem nie mogły się przebić, gdyż władze wydające zezwolenie odmawiały zatwierdzenia elektrowni wiatrowych ze względu na istniejące zagrożenie środowiska (hałas jest również czynnikiem zagrażającym środowisku).

Było już wiele propozycji takiej zmiany konstrukcji łopaty wirnika elektrowni wiatrowej, aby nastąpiło zmniejszenie hałasu (patrz przykładowo EP-A-0 652 367 lub DE 196 14 420.5).

Jednakże zmniejszenie hałasu środkami konstrukcyjnymi na łopacie wirnika jest możliwe tylko w ograniczonym stopniu.

Celem wynalazku jest zatem dalsze polepszenie emisji hałasu z elektrowni wiatrowych.

Cel ten został według wynalazku osiągnięty przez łopatę wirnika o cechach podanych w zastrz. 1. Korzystne dalsze rozwinięcia opisano w dalszych zastrzeżeniach patentowych.

Wynalazek opiera się na spostrzeżeniu, że kiedy powierzchnia łopaty wirnika jest przynajmniej częściowo wyposażona w warstwę odpychającą dla cieczy i/lub lodu, wówczas łopata wirnika jest również bardziej szorstka. Zamiast więc nakładać na łopatę wirnika powłokę z farby, która nadaje powierzchni łopaty możliwie jak największą gładkość, czyni się dokładnie przeciwnie, mianowicie tworzy się mikrostrukturę o szorstkiej powierzchni. Takie powierzchnie są przykładowo znane również z lakierów lub powłok z tak zwanym efektem lotosu, tak że woda/lód ma jedynie słabą przyczepność do powierzchni. Powstaje przy tym powłoka farby w rodzaju złoża gwoździowego o wymiarach rzędu nanometrów. Takie nanogwoździe złoża gwoździowego nie tylko uszorstniają powierzchnię łopaty wirnika, ale zmniejszają również twardość powierzchni, ponieważ poszczególne nanogwoździe są odkształcalne również w swym kierunku wzdłużnym, albo ich struktura jest znacznie bardziej miękka niż powłoka łopaty wirnika z włókien szklanych.

Taka powłoka lotosowa na łopacie wirnika powoduje to, że zawirowanie powstające na górnej stronie łopaty wirnika jest tłumione dzięki miękkiej strukturze powierzchni lub też z wirów powietrza odprowadzana jest energia, tak że w sumie, jak to zostało stwierdzone, zmniejsza się hałas powstający przy obracaniu się łopaty wirnika. Jako samoczyszczącą powłokę, za pomocą której można osiągnąć znaczne zmniejszenie hałasu łopaty wirnika podczas pracy, należy wymienić mikrofarbę silikonową Lotusan (znak firmy ispo GmbH, przedsiębiorstwa grupy Dyckerhoff). Ta mikrofarba silikonowa jest rozprowadzana przez to przedsiębiorstwo z oznaczeniem wyrobu nr 1950 i opisywana jest jako odpychająca brud i wodę. Możliwe jest również wykonanie powłoki z folii, której struktura powierzchniowa tworzy warstwę odpychającą wodę. Samoczyszczące powierzchnie (i ich wytwarzanie) są również znane z EP 0 772 514.

Wynalazek jest przykładowo objaśniony również na podstawie fig. 1 i 2.

Figura 1 przedstawia widok elektrowni wiatrowej z wirnikiem, który ma trzy łopaty 10. Na fig. 1 przedstawiono elektrownię wiatrową typu E-40 firmy Enercon.

Figura 2 przedstawia łopatę wirnika w przekroju poprzecznym. Widać przy tym, że na powierzchni usytuowana jest powłoka 1 lub przykrycie, które tworzy gwoździowe łoże 2 złożone z nanogwoździ 3. Odstęp A pomiędzy nanogwoździami jest w zakresie 2 - 250 mm, a wysokość H tych nanogwoździ jest w zakresie 2 - 250 mm. Nanogwoździe są utworzone przykładowo z hydrofobowych polimerów lub materiałów o nadanych trwałych właściwościach hydrofobowych. Szczególnie dobre wyniki, jeśli chodzi o zmniejszanie hałasu wytwarzanego przez łopatę wirnika uzyskuje się wtedy, gdy te nanogwoździe mają wysokość 5 - 60 mm, a ich odstęp od siebie jest w zakresie 5 - 110 mm.

Powleczenie łopaty wirnika mikrofarbą silikonową (np. Lotusan) powoduje również, że woda (H2O) lub inne ciecze nie pozostają przyczepione do powierzchni łopaty wirnika. Brak zatem również przyczyn jakiegokolwiek oblodzenia.

Korzystnie powłoka nie jest nałożona na całą łopatę wirnika, ale tylko na końcową jedną trzecią (patrząc od strony wirnika) łopaty, a tu korzystnie w obszarze ostrza łopaty lub przy tylnej i przedniej krawędzi łopaty wirnika.

PL 195 098 B1

Przez utworzenie nanogwoździ 3 powierzchnia łopaty wirnika ma bardzo dużą nieregularność lub szorstkość, tak że przyciąganie masowe kropli 4 wody (cząsteczek) i powierzchni łopaty wirnika nie wystarcza, by cząsteczki wody pozostawały przyczepione na tej powierzchni. Nanogwoździe trzymają więc obce cząsteczki wody jakby w odstępie od powierzchni 6 łopaty wirnika, przez co siła przyciągania pomiędzy cząsteczkami wody a powierzchnią zostaje drastycznie zmniejszona.

Równocześnie nanogwoździe 3 mają w celu zmniejszania hałasu jakby działanie tłumika uderzeń (dźwięku), ponieważ wiry (nie pokazano) tworzące się naturalnie na powierzchni łopaty wirnika i powodujące powstawanie dźwięków, trafiają na nanogwoździe, które ze swej strony ze względu na swą dużą ruchliwość w porównaniu ze sztywną strukturą łopaty wirnika z włókien szklanych mogą pochłaniać energię wirów i przez to odbierają energię wirom powietrza, tak że hałas ulega zmniejszeniu.

Powłokę można tworzyć przez nakładanie farby lub przez naklejanie folii.

Taką powłokę można nakładać nie tylko na łopatę wirnika lub jej części, ale również na inne części elektrowni wiatrowej, przykładowo na wieżę 7 elektrowni wiatrowej i/lub na obudowę 8. Obudowa ta (zwana również gondolą) jest umieszczona na górnym końcu wieży i otacza ze wszystkich stron generator elektrowni wiatrowej lub dalsze jej części, które nie powinny być wystawiane bezpośrednio na działanie otoczenia. Powłoka może być przy tym usytuowana nie tylko z zewnątrz na wieży lub na łopacie wirnika i/lub obudowie, ale również po stronie wewnętrznej. W tym celu jest korzystne, kiedy przewidziane są wewnętrzne i/lub zewnętrzne kanały odpływowe (nie pokazano), poprzez które woda spływająca z wieży i/lub z obudowy może być przechwytywana, gromadzona i odprowadzana w kontrolowany sposób. Takie kanały przebiegają korzystnie zasadniczo prostopadle (albo z niewielkim odchyleniem) do osi wzdłużnej wieży na ścianie wieży, a przechwycona ciecz zostaje odprowadzona poprzez dołączoną rurę spadową.

Zmniejszenie powstawania hałasu można alternatywnie lub dodatkowo wobec opisanego rozwiązania osiągnąć również przez to, że łopata wirnika ma specjalną powierzchnię w rodzaju skóry rekina. Powierzchnia ta może być utworzona przez pokrycie foliowe. Folia taka jest przykładowo sprzedawana przez firmę 3M pod oznaczeniem typu 3M 8691 Drag Reduction Tape (Riblet Tape). Folia ta została opracowana na zamówienie przemysłu lotniczego w celu uzyskania oszczędności paliwa podczas lotów dzięki takiej specjalnej powierzchni symulującej skórę rekina.

Struktura takiej folii symulującej skórę rekina jest przykładowo znana z publikacji Dittricha W. Becherta (Abteilung Turbulenzforschung des Deutschen Zentrums fur Luft - und Raumfahrt (DLR) - w tłumaczeniu: Dział Badania Turbulencji Niemieckiego Ośrodka Lotnictwa i Kosmonautyki). Strukturę folii symulującej skórę rekina (powłoki) opisano szczegółowo między innymi również w EP 0 846 617, DE-C-36 09 541 lub DE-C-34 14 554. W celu uniknięcia powtórzeń niniejszy opis powołuje się na treść wszystkich wymienionych wyżej publikacji.

Ponieważ w przypadku samolotu hałas jest zasadniczo określony przez zespoły napędowe, zatem hałas wytwarzany przez samolot nie maleje, zwłaszcza dlatego, że poziomy hałasu wytwarzanego na zasadzie zdarzeń dynamicznych przy samolocie (skrzydle) są poniżej progu słyszalności, a zatem nie mogą być odbierane.

Folia na zasadzie skóry rekina (pod odpowiednią powierzchnią) została opracowana przez zespół inżynierski kierowany przez dr Dietricha W. Becherta z Abteilung Turbulenzforschung des Deutschen Zentrums fur Luft - und Raumfahrt (DLR) (w tłumaczeniu: Dział Badania Turbulencji Niemieckiego Ośrodka Lotnictwa i Kosmonautyki) Politechniki Berlińskiej. W przypadku takiej folii symulującej skórę rekina powierzchnia tej folii ma drobne rowki 11 przebiegające w kierunku przepływu. Rowki te nie są ciągłe, ale są usytuowane na płytkach (łuskach) 12, które ze swej strony są przestawione względem siebie, jak pokazano na fig. 3. W przedstawionym przykładzie łuska 12 ma pięć rowków 11, które mają różne długości i są zorientowane swym kierunkiem wzdłużnym prostopadle (lub równolegle) do promienia r łopaty wirnika elektrowni wiatrowej. W takim przypadku wysokość H rowków 11 (lub żeberek) wynosi w przybliżeniu 30 - 70% odstępu s pomiędzy rowkami, a rowki te (żeberka) mają korzystnie kształt klinowy z kątem zbieżności 5 - 60°.

Znormalizowany boczny odstęp żeberek na powierzchni folii symulującej skórę rekina wynosi przy tym według wzoru s+ = (s / v) *^/T5⁺ =(s/v)^:

PL 195 098 B1

- 22, przy czym s oznacza boczny odstęp żeberek, τ₀ oznacza napięcie ścienne gładkiej powierzchni odniesienia, wystawionej na taki sam przepływ, p oznacza gęstość przepływającego medium (powietrza) a v oznacza lepkość kinematyczną przepływającego medium (powietrza).

Znormalizowany odstęp S+ pomiędzy żeberkami jest przy tym korzystnie dostosowany do prędkości obwodowej (lub kątowej) łopaty wirnika elektrowni wiatrowej podczas pracy w warunkach nominalnych. Korzystnie jest on dostosowany przy tym do prędkości obwodowej końca łopaty wirnika lub obszaru końcowego łopaty wirnika (około 5 - 25% długości łopaty wirnika).

Odstęp s rowków wynosi przy tym w przybliżeniu 0,001 - 0,15 mm.

Możliwe jest również, by na całej powierzchni łopaty wirnika przewidziane były struktury powierzchniowe o różnym odstępie pomiędzy rowkami i/lub odstępie łusek, tak że znormalizowany rowek jest zawsze dostosowany do odpowiedniej prędkości obwodowej wirnika w nominalnych warunkach pracy.

Korzystnie również boczne rozszerzenia żeberek mają promień krzywizny maksimum 50%, korzystnie maksimum 20% bocznego odstępu S żeberek.

Korzystne jest również, kiedy powierzchnia folii symulującej skórę rekina ma pomiędzy żeberkami promień krzywizny co najmniej 200% bocznego odstępu żeberek. Przedstawiono to w powiększonym przekroju poprzecznym na fig. 4.

Pierwsze badania wykazały, że hałas wirnika z łopatami posiadającymi opisaną folię symulującą skórę rekina (i przez to również odpowiednią opisaną powierzchnię) może być zmniejszony o około 0,2 - 3 dB (zależnie od prędkości obwodowej i warunków wiatrowych).

Środki alternatywne lub uzupełniające wobec opisanych środków zmniejszania hałasu mogą również polegać na tym, że przewidziane są obszary częściowe łopaty wirnika, zwłaszcza przedniej krawędzi łopaty wirnika z lakierem zabezpieczającym przed erozją. Jako taki lakier chroniący przed erozją można przykładowo stosować rozpuszczalnikowy dwuskładnikowy lakier poliuretanowy o właściwościach powierzchniowych podobnych do teflonu. Dotychczas na przednie krawędzie łopat wirnika nakleja się folię chroniącą przed erozją, aby zapobiec erozji przednich krawędzi łopat wirnika na skutek działania cząstek zanieczyszczeń, deszczu, gradu itd. Naklejanie takiej folii jest bardzo kosztowne i trzeba je przeprowadzać z największą starannością, aby uniknąć szybkiego odłączenia podczas eksploatacji. Pomimo największej staranności ciągle jeszcze nałożone folie odłączają się, co w pewnych okolicznościach może nawet prowadzić do zwiększenia poziomu hałasu podczas pracy, a w każdym razie powoduje wysokie koszty obsługi, ponieważ odłączone lub odstające części folii (narożniki folii) trzeba z powrotem mocować na łopacie wirnika lub nakładać nowe folie.

Jako lakier zabezpieczający przed erozją, za pomocą którego można usunąć problemy związane z folią chroniącą przed erozją, nadaje się szczeliwo poślizgowe oferowane przez firmę Coelan pod oznaczeniem VP 1970M. Chodzi przy tym o rozpuszczalnikowy dwuskładnikowy lakier poliuretanowy o podobnych do teflonu właściwościach powierzchniowych, mający następujące cechy charakterystyczne:

Zawartość ciał stałych:

Temperatura zapłonu: Gęstość:

Lepkość:

Składnik A około 60%

Składnik B około 5%

Mieszanina około 32%

-22°C ^Skła^dn^ik A ^{1,11 g/}cm^{3 p}rz^{y 20}°C ^Skła^dn^ik B ^0,8^{3 g/}cm^{3 p}rz^{y 20}°C Składnik A około 80 s DIN 4, 23°C Składnik B <10 s DIN 4, 23°C ok ok ok ok h w zamkniętym pojemniku 30 min 20°C, 50% wilg.wzgl.

50% wilg.wzgl. 50% wilg.wzgl.

147 s wg Koniga, DIN 53157 h 96 h

20‘

Czas przetwarzania:

Tworzenie naskórka:

Nie lepi się:

Całkowite wysychanie:

Twardość wahadłowa:

Szybkie oddziaływanie warunków atmosferycznych: Wytzymuje 2350 h UV-A z urządeeniem Q-panel (Próba QUV) Wytrzymuje 2430 h UV-B z urządzeniem Q-panel

Stosunek mieszania: Składnik A 100 części wag.

Składnik B 100 części wag.

Lakier ten został opracowany do budowy łodzi. Dotychczas nigdy jeszcze nie proponowano zastosowania go do łopat wirników w celu zmniejszenia wytwarzanego hałasu, a jest to bardzo korzystne, ponieważ zastępuje on znane folie zabezpieczające przed erozją i może usunąć związane z tym problemy.

Claims

1. Łopata wirnika elektrowni wiatrowej ze środkami do zmniejszania hałasu wytwarzanego przez łopatę wirnika, znamienna tym, że środki te są utworzone przez odpychającą płyny warstwę i/albo powierzchnię przewidzianą co najmniej na części powierzchni łopaty wirnika.

2. Łopata według zastrz. 1, znamienna tym, że odpychająca płyny warstwa jest nałożona co najmniej tam, gdzie w zasadzie powstaje hałas podczas wirowania łopaty wirnika.

3. Łopata według zasirz. 1 albo 2, znamiennatym, że posiada co naamniej częściowąpowłokę, która nadaje łopacie wirnika mikrostrukturę o bardzo dużej nierówności, tak, że krople wody nie znajdują zaczepienia na powierzchni łopaty wirnika, tak, że krople wody i/albo osadzający się lód (kryształy lodu) nie znajdują zaczepienia na powierzchni łopaty wirnika i zmniejsza się hałas wytwarzany przez łopatę wirnika podczas pracy elektrowni wiatrowej.

4. Łopata według zastrz. 1, znamienna tym. że powierzchnia łopaty wirnika jest co najmniej częściowo wyposażona w powłokę, tak że powierzchnia łopaty wirnika w obszarze powleczonym jest bardziej miękka niż w obszarze bez powłoki.

5. Łopata według zas^z. 1 znamienna tym, że warsłwa ma ssrukkurę powierzchni ze wzniesieniami i zagłębieniami, przy czym odstęp pomiędzy wzniesieniami jest w zakresie 2 - 250 mm, a wysokość tych wzniesień jest w zakresie 2 - 250 mm i wzniesienia są korzystnie wykonane z polimerów hydrofobowych lub materiałów trwale hydrofobowych, których naturalny deszcz nie może oddzielić.

6. Łopata według 1, tym, że ma powierzchnię, która jest ukształtowana podobnie do skóry rekina.

7. Łopata według zasłrz. 6, znamienna tym, że posśada na śccanie powieRzchnię optywaną 1urbulentnie przez przepływ posiadający główny kierunek przepływu, która ma żeberka skierowane zgodnie z głównym kierunkiem przepływu i usytuowane w bocznym odstępie od siebie, przy czym wysokość żeberek wynosi w przybliżeniu 30 - 70% odstępu pomiędzy nimi.

8. Łopata według zasfrz. 7, tym. że żebeeka mają kształt kllna, o kącće kllna wynoszącym korzystnie około 10 - 60°.

9. Łopata według zastrz. 7, znamienna tym, że znormalizowany boczny odstęp pomiędzy żeberkami +

wynosi 12 - 22, przy czym s oznacza bocznym odstęp pomiędzy żeberkami, to oznacza naprężenie styczne gładkiej powierzchni odniesienia wystawionej na taki sam przepływ, p oznacza gęstość przepływającego płynu, a v oznacza lepkość kinematyczną płynu.

10. Łopata według zastιrz. 9, tym, że znormaIlzowany boczny odssęp s⁺ żeberkami jest dostosowany do obwodowej prędkości łopaty wirnika, korzystnie do obwodowej prędkości końcowego obszaru łopaty wirnika (przy pracy nominalnej).

11. Łopata według zass^. 7, albo 8, albo 9, albo 10, znamienna tym, że boczny odssęp s pomiędzy żeberkami wynosi 0,001 - 0,15 mm.

12. Łopata według zastrz. 7, albo 8, albo 9, albo 10, znamienna tym, że promień krzywizny bocznego zamocowania żeberek wynosi maksimum 5 - 35% bocznego odstępu pomiędzy żeberkami.

13. Łopata według zass^. 7, albo 8, albo 9, albo 10, znamienna t^i^, że promień krzywizny powierzchni pomiędzy żeberkami wynosi co najmniej 100%, korzystnie 200 - 400% odstępu pomiędzy żeberkami.

14. Łopata wirnika elektrowni wiatrowej ze środkami do zmniejszania hałasu wytwarzanego przez łopatę wirnika, znamienna tym, że na części łopaty wirnika, korzystnie na krawędzi natarcia łopaty wirnika nałożony jest lakier zabezpieczający przed erozją, który wykazuje właściwości powierzchni podobne do właściwości teflonu.

15. Łopata według zas+ι-z. 14, znamienna tym, że I akkerzabezpieczający przed erozżąless rozpuszczalnikowym dwuskładnikowym lakierem poliuretanowym.

16. Zastosowanie łopaty wirnika określonej zastrz. 1, do elektrowni wiatrowej.

17. EleWt-wnia wiatrowa zawierająca wirnik z co n^jr^r^i^j iedną łopatą, wieżą oraz ossoną (gondolą), która mieści w sobie co najmniej jeden generator elektrowni wiatrowej, znamienna tym, że co najmniej jeden z wymienionych elementów, takich jak łopata wirnika, wieża (po stronie wewnętrznej lub zewnętrznej) i/albo osłona (gondola) posiada warstwę hydrofobową określoną w jednym z powyższych zastrzeżeń, która to warstwa jest nałożona na co najmniej część powierzchni łopaty wirnika, wieży i/albo osłony.