PL205962B1 - Siłownia wiatrowa oraz sposób ochrony siłowni wiatrowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy siłowni wiatrowej oraz sposobu ochrony siłowni wiatrowych w parku wiatrowym zawierającym wiele siłowni wiatrowych połączonych za pomocą sieci informacyjnej.

W zależności od rozmiarów i rozmieszczenia mocy siłownie wiatrowe są stosunkowo drogimi inwestycjami, które należy chronić przed zdezelowaniem, zniszczeniem i innymi przyczynami skutkującymi wadliwą pracą siłowni wiatrowych, o ile ma być osiągnięty przewidywany długi okres użytkowania siłowni wiatrowych. Z drugiej strony, w odniesieniu do siłowni wiatrowych zawsze istnieje tendencja, aby użytkować je przy maksymalnej mocy wyjściowej, tak aby uzyskać również możliwie maksymalną wydajność energetyczną. Obydwa cele, a mianowicie z jednej strony długi okres użytkowania, a z drugiej najwyższa wydajność energetyczna, są częściowo ze sobą sprzeczne, ostatecznie możliwe jest nawet, aby siłownia wiatrowa pracowała również w przedziale przeciążenia, gdzie jej wydajność energetyczna jest podwyższona, spowoduje to jednak znaczne skrócenie jej okresu użytkowania. Natomiast, jeżeli siłownia wiatrowa pracuje tylko w zakresie małych prędkości wiatru, siłownia ta jest z pewnoś cią chroniona lepiej niż inne, ale z punktu widzenia wydajnoś ci energetycznej jest to niewystarczające.

Celem wynalazku jest zaprojektowanie środków i możliwych sposobów ochrony siłowni wiatrowych przed zniszczeniem lub ich zabezpieczenie przed warunkami powodującymi uszkodzenia i jednocześnie nadal uzyskanie maksimum możliwej wydajności energetycznej.

Wynalazek opiera się na przekonaniu, że należy nie tylko mierzyć, jak dotąd, warunki wiatrowe w danej siłowni wiatrowej za pomocą anemometrów, ale również wykorzystywać wyniki tych pomiarów w siłowniach wiatrowych, które usytuowane są za pierwszą względem wiatru siłownią wiatrową, tak żeby w razie konieczności, na przykład w przypadku pojawienia się porywów wiatru, można było zastosować zmianę ustawienia kąta łopat w momencie, gdy ten poryw wiatru jest jeszcze wystarczająco daleko, aby uderzyć w siłownię wiatrową, a gdy później poryw wiatru w nią uderzy, obciążenie nie było tak duże.

Systemy SODAR są zasadniczo znane, jednak jak dotąd, są tylko konstruowane jako stacjonarne albo też transportowane na przyczepach jako instalacje przewoźne, służąc następnie do jednorazowych pomiarów profilu wiatru w określonym rejonie.

Według wynalazku siłownia wiatrowa charakteryzuje się tym, że posiada zdalny system pomiarów akustycznych (SODAR) przystosowany do pomiaru prędkości i kierunku wiatru, który jest zamontowany na gondoli siłowni wiatrowej i którego czynności pomiarowe obejmują obszar przed wirnikiem siłowni wiatrowej, przy czym SODAR jest usytuowany w rejonie piasty wirnika przed płaszczyzną wirnika siłowni wiatrowej.

Siłownia wiatrowa korzystnie posiada urządzenie do przesyłu/przyjmowania informacji o prędkości i/albo kierunku wiatru do/z co najmniej jednej spośród innych siłowni wiatrowych w parku wiatrowym zawierającym wiele siłowni wiatrowych połączonych za pomocą sieci informacyjnej.

Korzystnie system pomiarów akustycznych do mierzenia prędkości wiatru wykorzystuje ultradźwiękowe fale akustyczne.

Według wynalazku sposób ochrony określonych powyżej siłowni wiatrowych w parku wiatrowym zawierającym wiele siłowni wiatrowych połączonych za pomocą sieci informacyjnej charakteryzuje się tym, że dokonuje się pomiarów prędkości i/albo kierunku wiatru w rejonie pierwszej siłowni wiatrowej, która jako pierwsza jest wystawiona na działanie wiatru, przy czym te zmierzone dane przetwarza się za pomocą urządzenia sterującego, które steruje pierwszą siłownią wiatrową i/albo inną spośród najbliżej usytuowanych względem tej pierwszej i nastawia się kąt natarcia łopat wirnika względem wiatru, aby ustawić je na wiatr, gdy zmierzone parametry wiatru wskazują na zagrożenie zniszczeniem pierwszej siłowni wiatrowej.

Korzystnie dane zmierzone na pierwszej siłowni wiatrowej przekazuje się do co najmniej drugiej siłowni wiatrowej, będącej po zawietrznej stronie pierwszej siłowni wiatrowej i w zależności od zmierzonych danych dotyczących wiatru w rejonie pierwszej siłowni wiatrowej nastawia się na wiatr łopaty wirnika drugiej siłowni wiatrowej.

Jak podano wyżej zastosowano system SODAR do samej siłowni wiatrowej, umieszczając urządzenie w jej gondoli od strony frontowej wirnika, w przedniej części piasty. Takie systemy SODAR (Sonic Detection and Ranging) są w stanie wykrywać warunki wiatrowe w trzech wymiarach (on line) w wybranym kierunku (w kierunku wiatru) przed siłownią wiatrową.

PL 205 962 B1

Należy podkreślić, że system SODAR zainstalowany jest na obrotowej gondoli siłowni wiatrowej i skierowany w stronę rejonu przed wirnikiem sił owni wiatrowej, zawsze zgodnie z wał em wirnika, czyli w gł ównym kierunku wiatru, nie potrzebne jest zatem ż adne kolejne dostrajanie i uzyskuje się obserwację rejonu przed wirnikiem siłowni wiatrowej, co pozwala na wczesne wykrywanie porywów wiatru.

W przeciwień stwie do stanu techniki wedł ug wynalazku systemy SODAR s ą zainstalowane w siłowni wiatrowej na stałe, a nie umieszczane okresowo, tak więc zawsze zbliżanie się porywu wiatru, który mógłby prowadzić do niepożądanych przeciążeń siłowni wiatrowej, jest wykrywane odpowiednio wcześnie i przed pojawieniem się tego porywu wiatru w siłowni wiatrowej dokonywane jest stosowne ustawienie łopat wirnika, dzięki czemu obciążenie siłowni wiatrowej, podczas porywu wiatru, jest znacznie mniejsze, niż w przypadku braku tego ustawienia łopat wirnika.

Jeżeli system SODAR zamontowany jest na siłowni wiatrowej zainstalowanej na obrzeżu parku wiatrowego lub na pewnej ilości innych siłowni wiatrowych, które zbliżający się wiatr napotyka jako pierwsze, dane mierzone przez system SODAR mogą być przetwarzane nie tylko dla siłowni wiatrowej zaopatrzonej w system SODAR, ale również dla dalej usytuowanych siłowni wiatrowych, które zgodnie z kierunkiem wiatru znajdują się z tył u za nią . Dzi ę ki temu poryw wiatru albo też inne niesprzyjają ce warunki nie spowodują zniszczeń, o ile siłownie wiatrowe odpowiednio ustawią na wiatr łopaty wirników i będą zatem niepodatne na niszczące działanie wiatru.

W przypadku parków wiatrowych jest również możliwa alternatywna forma systemu wczesnego ostrzegania taka, jak instalowanie w siłowni wiatrowej anemometrów i urządzeń do pomiaru obciążenia, które mogą być użyte nie tylko do dostarczania informacji ważnych dla tej siłowni wiatrowej, na której są zamontowane, lecz również do dostarczania informacji dla siłowni wiatrowych, które według kierunku wiatru usytuowane są dalej. Jeżeli dla przykładu, anemometr mierzy bardzo dużą siłę wiatru, odpowiednie elementy informacji mogą być dostarczane również do siłowni wiatrowych usytuowanych dalej w kierunku wiatru, a zatem łopaty wirników tych dalszych siłowni wiatrowych można odpowiednio ustawić w stosownym momencie, zanim pojawią się niepożądane warunki związane z wiatrem mogące spowodować niebezpieczne obciążenie. Można też przedsięwziąć inne kroki, na przykład całkowite wyłączenie siłowni wiatrowych. Zatem obciążenie spowodowane niebezpiecznymi warunkami wiatrowymi, które mogłyby się pojawić jest zredukowane do minimum, a korzystnie całkowicie wyeliminowane.

Ustawienie łopat wirnika na wiatr zazwyczaj oznacza zmniejszenie powierzchni łopat wirnika, wystawionej względem wiatru i przy pewnych warunkach może to również oznaczać zmniejszenie oddawanej mocy elektrycznej. Ta niedogodność jednak jest akceptowana, jeżeli dzięki uniknięciu przeciążenia można uniknąć zniszczeń, które ono pociąga za sobą powodując, że liczne sytuacje przeciążeń prowadzą do znacznego obniżenia żywotności całej siłowni. Zatem czasowa redukcja ilości oddawanej mocy nie jest czynnikiem decydującym, biorąc pod uwagę całkowity czas użytkowania siłowni wiatrowej.

Zastosowanie systemu wczesnego ostrzegania według wynalazku, w którym dane (dotyczące wiatru i obciążenia) mierzone w jednej siłowni wiatrowej mogą być również wykorzystane w innych siłowniach wiatrowych, zakłada istnienie sieci informacyjnej pomiędzy siłowniami wiatrowymi parku wiatrowego, za pomocą której przesyłanie danych może być dokonywane bezprzewodowo albo przewodowo za pomocą znanych technologii sieciowych.

W takim przypadku przekazywanie danych moż e być dokonywane od jednej sił owni wiatrowej do drugiej albo też przy pomocy sterowania centralnego. Centralne sterowanie może z kolei przekazywać informacje odnoszące się do warunków wiatrowych, mierzonych na odnośnej siłowni wiatrowej, do wszystkich albo wybranych siłowni wiatrowych parku wiatrowego (na przykład tych, które znajdują się „w cieniu wiatrowym” danej siłowni wiatrowej) i/lub dostarczać wymagane sygnały sterowania do odpowiednich siłowni wiatrowych. Możliwa jest również kombinacja procedur pomiarowych systemu SODAR i anemometrów, tak że można zastosować z jednej strony transmisję danych pomiędzy siłowniami, z drugiej zaś strony poprzez centralne sterowanie. Zaistniały w ten sposób nadmiar informacji pozwala, na przykład, na korektę błędów. Sprawdzanie wiarygodności można również przeprowadzić na przykład w ten sposób, że instrukcja sterowania siłownią wiatrową z centralnego sterowania może być sprawdzana na podstawie meldunków o prędkości albo kierunku wiatru przekazywanych z jednej siłowni wiatrowej do drugiej i tylko przy potwierdzonej wiarygodności tych danych wprowadzana w ż ycie.

Z drugiej strony, możliwe jest również odpowiednie sterowanie poszczególnych siłowni wiatrowych przy użyciu ich własnych urządzeń sterujących, opierając się na danych przekazywanych pomiędzy siłowniami, a centralnym sterowaniem, przy czym centralne sterowanie tylko sprawuje nadzór.

PL 205 962 B1

Ponieważ odległość pomiędzy poszczególnymi siłowniami parku wiatrowego nie zmienia się, możliwe jest, na podstawie znanej prędkości wiatru, przy pojawieniu się niesprzyjających warunków wiatrowych, dokonanie całkiem wiarygodnych obliczeń, ustalających kiedy konkretną siłownię wiatrową osiągną te niesprzyjające warunki wiatrowe na przykład silny podmuch wiatru. Zatem możliwe jest, na przykład obliczenie, zależnego od prędkości wiatru czasu dojścia (podmuchu wiatru do siłowni wiatrowej), który siłownia wiatrowa ma na wykonanie wymaganego dostrojenia, czyli ustawienia kąta natarcia łopat wirnika względem wiatru. Alternatywnie albo dodatkowo możliwe jest wprowadzenie do czasu dojścia stałego składnika.

Wynikający z odległości pomiędzy poszczególnymi siłowniami wiatrowymi i prędkościami, jakie osiąga wiatr, czas ostrzeżenia powinien zwykle wystarczać do tego, aby zdążyć ze zmianą kąta nachylenia łopat wirnika (prędkość zmiany skoku wynosi od 4° do 8° na sekundę).

Jak wspomniano, uwiarygodnienie informacji odnoszących się do warunków wiatrowych, które są mierzone w siłowni wiatrowej, może być w zasadzie przeprowadzane w każdej siłowni wiatrowej parku wiatrowego. Innym rozwiązaniem może być przekazywanie informacji zależnie od kierunku wiatru. W takim przypadku przewidziany jest kąt rozprzestrzenienia, który wyznacza siłownie wiatrowe, które znajdują się przynajmniej bezpośrednio obok drogi wiatru i do których przekazuje się informacje. Kąt ten może zostać ustalony albo wybierany w zależności od zmian kierunku wiatru.

W trakcie przekazywania informacji, obok danych dotyczą cych prędkości i kierunku wiatru, moż liwe jest przekazywanie również dalszych informacji takich, jak identyfikacja siłowni wiatrowych nadających poszczególne informacje i siłowni wiatrowych będących ich odbiorcami, kody korekcji błędu i tym podobne informacje.

Przywiązywanie szczególnej uwagi do kierunku wiatru jest uzasadnione z tego powodu, że przy zasadniczo stałym kierunku wiatru, lokalne porywy mogą pojawić się tylko w części siłowni wiatrowych, tak że z punktu widzenia optymalizacji wydajności, tylko te siłownie wiatrowe, które znajdują się faktycznie na drodze takiego porywu wiatru powinny być odpowiednio sterowane, tak aby obciążenie które na nich występuje było jak najmniejsze.

Fig. 1 przedstawia tytułem przykładu układ parku wiatrowego z wieloma siłowniami wiatrowymi 1, z których każda jest połączona do centralnego sterowania 2. W takim przypadku centralne sterowanie może odpowiednio przetwarzać mierzone dane od poszczególnych siłowni wiatrowych, jak również przekazywać sygnały sterowania do poszczególnych siłowni.

Fig. 2 przedstawia tytułem przykładu typową sytuację w praktyce. W tym przypadku wiatr wieje ku, określonej jako pierwsza, siłowni wiatrowej 4, która przekazuje zmierzone dane do centralnego sterowania albo w inny sposób (niecentralne sterowanie) do innych siłowni wiatrowych. Należy oczekiwać, że wiatr, który uderza w tę siłownię wiatrową uderzy również w inne, które znajdują się w jej bezpośrednim „cieniu wiatrowym” (pole wąsko zakreskowane). Możliwe jest jednakże również rozszerzenie kąta rozprzestrzenienia (pole zakreskowane szerzej), w celu określenia szerszego „cienia wiatru” dla tych wszystkich siłowni, które częściowo lub całkowicie znajdują się w zakreskowanym polu, aby wyniki pomiarów z pierwszej siłowni mogły również być użyte do sterowania dalszych siłowni wiatrowych znajdujących się w „cieniu wiatru” od pierwszej siłowni. W ten sposób, dzięki szacunkowi zrobionemu na podstawie wyników pomiarów z pierwszej siłowni wiatrowej, możliwa jest ochrona przed zniszczeniem dalszych siłowni wiatrowych.

Jak było już opisane, zamiast centralnego sterowania 2, można zastosować również inną koncepcję sterowania. Zatem na przykład idea może być taka, że istnieją połączenia (radiowe) transmisji danych pomiędzy sąsiednimi siłowniami wiatrowymi albo pomiędzy siłowniami wiatrowymi danego rejonu i w ten sposób mierzone dane mogą być również wymieniane pomiędzy siłowniami wiatrowymi bezprzewodowo i bez centralnego sterowania.

Możliwe jest również, że wraz z powstaniem określonej sytuacji wiatrowej, na przykład w przypadku porywu wiatru, regulacji podlega nie tylko ta konkretna pierwsza siłownia wiatrowa, lecz wszystkie siłownie wiatrowe w bezpośrednim sąsiedztwie tej lub tych siłowni wiatrowych, które są w określony sposób geograficznie usytuowane względem tej pierwszej siłowni. Mogą to być na przykład, jak przedstawiono na fig. 2 również siłownie wiatrowe 6, które patrząc w kierunku wiatru, znajdują się z prawej i lewej strony od tej pierwszej siłowni wiatrowej.

Jeżeli ta pierwsza siłownia wiatrowa 4, jak pokazano na fig. 2 wyposażona jest w SODAR, wtedy, już przy pierwszym porywie wiatru, który ją dosięgnie może on zostać zmierzony i aby uniknąć zniszczeń, w pierwszej siłowni wiatrowej 4 można podjąć odpowiednie kroki zapobiegawcze.

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowe

1. Siłownia wiatrowa, znamienna tym, że posiada zdalny system pomiarów akustycznych (SODAR) przystosowany do pomiaru prędkości i kierunku wiatru, który jest zamontowany na gondoli siłowni wiatrowej i którego czynności pomiarowe obejmują obszar przed wirnikiem siłowni wiatrowej, przy czym SODAR jest usytuowany w rejonie piasty wirnika przed płaszczyzną wirnika siłowni wiatrowej.

2. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że posiada urządzenie do przesyłu/przyjmowania informacji o prędkości i/albo kierunku wiatru do/z co najmniej jednej spośród innych siłowni wiatrowych w parku wiatrowym zawierającym wiele siłowni wiatrowych połączonych za pomocą sieci informacyjnej.

3. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że system pomiarów akustycznych do mierzenia prędkości wiatru wykorzystuje ultradźwiękowe fale akustyczne.

4. Sposób ochrony siłowni wiatrowych w parku wiatrowym zawierającym wiele siłowni wiatrowych połączonych za pomocą sieci informacyjnej i określonych zastrz. 1-3, znamienny tym, że dokonuje się pomiarów prędkości i/albo kierunku wiatru w rejonie pierwszej siłowni wiatrowej (4), która jako pierwsza jest wystawiona na działanie wiatru, przy czym te zmierzone dane przetwarza się za pomocą urządzenia sterującego, które steruje pierwszą siłownią wiatrową (4) i/albo inną spośród najbliżej usytuowanych względem tej pierwszej siłowni wiatrowej (4) i nastawia się kąt natarcia łopat wirnika względem wiatru, aby ustawić je na wiatr, gdy zmierzone parametry wiatru wskazują na zagrożenie zniszczeniem pierwszej siłowni wiatrowej (4).

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że dane zmierzone na pierwszej siłowni wiatrowej (4) przekazuje się do co najmniej drugiej siłowni wiatrowej (6), będącej po zawietrznej stronie pierwszej siłowni wiatrowej (4) i w zależności od zmierzonych danych dotyczących wiatru w rejonie pierwszej siłowni wiatrowej (4) nastawia się na wiatr łopaty wirnika drugiej siłowni wiatrowej (6).