PL219028B1

PL219028B1 - Sposób zmniejszenia współczynnika oporu aerodynamicznego i poziomu mocy akustycznej łopaty wirnika elektrowni wiatrowej

Info

Publication number: PL219028B1
Application number: PL374216A
Authority: PL
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 2002-09-21
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2015-03-31
Also published as: KR100669036B1; AU2003266392A1; JP2005539176A; JP4208835B2; PL374216A1; CA2498834A1; BR0314291A; WO2004029449A1; AR041325A1; EP1546551B1; CN100390407C; DE10244022B4; KR20050057340A; PT1546551E; CA2498834C; DK1546551T3; US20050201865A1; BR0314291B1; AU2003266392B2; US7311490B2

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu zmniejszenia współczynnika oporu aerodynamicznego i poziomu mocy akustycznej łopaty wirnika elektrowni wiatrowej.

Zwykle dąży się do konstruowania łopat wirnika elektrowni wiatrowej w taki sposób, aby podczas eksploatacji miały możliwie niski poziom mocy akustycznej, a ponadto, aby wartość oporów aerodynamicznych była możliwie mała, żeby łopaty wirnika nie powodowały większych strat energii.

Zwykle w celu zmniejszenia poziomu mocy akustycznej oraz zmniejszenia wartości CD (współczynnika oporu aerodynamicznego profilu łopaty) wprowadza się zmiany lub ulepszenia konstrukcji zewnętrznej, która jest odpowiednio dostosowana do łopaty wirnika.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu eksploatacji i łopaty wirnika do dalszego zmniejszenia wartości współczynnika CD, jak również poziomu mocy akustycznej łopat wirnika elektrowni wiatrowych.

Według wynalazku sposób zmniejszenia współczynnika oporu aerodynamicznego i poziomu mocy akustycznej łopaty wirnika elektrowni wiatrowej, gdy podczas pracy, po stronie grzbietowej łopaty wirnika, wytwarza się obejmujące cały obszar stałe pole elektrostatyczne za pomocą sieciowej struktury przewodowej umiejscowionej po stronie grzbietowej łopaty wirnika, przy czym sieciowa struktura przewodowa tworzy matrycę przewodową posiadającą wiele przewodów umieszczonych równolegle względem siebie w odstępach od siebie i w konfiguracji siatkowej, ponadto do sieciowej struktury przewodowej przykłada się napięcie przez połączenie galwanicznie łopaty wirnika i źródła napięcia albo źródła ładunku.

Korzystnie stałe pole elektrostatyczne wytwarza się w obszarze pomiędzy krawędzią natarcia łopaty wirnika, a krawędzią spływu łopaty wirnika po stronie grzbietowej łopaty wirnika. Odstęp pomiędzy sąsiednimi przewodami matrycy przewodowej wynosi korzystnie 2-10 mm, najkorzystniej co najwyżej 4 mm. Korzystnie jest, gdy do sieciowej struktury przewodowej przykłada się napięcie, które wynosi od -2 kV do -6 kV, najkorzystniej co najwyżej -4 kV. Wymagane napięcie stałe dla pola elektrostatycznego podaje się za pomocą źródła prądu stałego będącego źródłem napięcia albo ładunku.

Według wynalazku łopata wirnika elektrowni wiatrowej, która to łopata jest przystosowana do zmniejszania współczynnika oporu aerodynamicznego i poziomu mocy akustycznej, zaś podczas pracy łopata wirnika obraca się pod wpływem siły wiatru, przy czym łopata wirnika zawiera stronę spodnią i stronę grzbietową, charakteryzuje się tym, że podczas pracy, po stronie grzbietowej łopaty wirnika, wytworzone jest, obejmujące cały obszar stałe pole elektrostatyczne za pomocą sieciowej struktury przewodowej umiejscowionej po stronie grzbietowej łopaty wirnika, przy czym sieciowa struktura przewodowa tworzy matrycę przewodową posiadającą wiele przewodów umieszczonych równolegle względem siebie w odstępach od siebie i w konfiguracji siatkowej, ponadto do sieciowej struktury przewodowej przyłożone jest napięcie przez połączenie galwanicznie łopaty wirnika i źródła napięcia albo źródła ładunku. Korzystnie stałe pole elektrostatyczne wytworzone jest w obszarze pomiędzy krawędzią natarcia łopaty wirnika, a krawędzią spływu łopaty wirnika po stronie grzbietowej łopaty wirnika. Odstęp pomiędzy sąsiednimi przewodami matrycy przewodowej wynosi korzystnie 2-10 mm, najkorzystniej co najwyżej 4 mm. Korzystnie jest, gdy do sieciowej struktury przewodowej przykłada się napięcie, które wynosi od -2 kV do -6 kV, korzystnie co najwyżej -4 kV. Korzystnie źródło wymaganego napięcia stałego dla pola elektrostatycznego za pomocą źródła prądu stałego.

Według wynalazku elektrownia wiatrowa zawiera łopatę wirnika określoną powyżej.

Jak podano wyżej pole elektryczne, według wynalazku, wytwarzane jest przynajmniej po stronie grzbietowej łopaty wirnika. To pole elektryczne jest korzystnie polem elektrostatycznym o napięciu przykładowo około -4 kV po grzbietowej stronie łopaty wirnika. Pole elektryczne wytwarzane jest w obszarze od krawędzi natarcia łopaty wirnika, aż do krawędzi spływu na co najmniej 30% łopaty wirnika w rejonie końcówki łopaty wirnika, czyli w rejonie najbardziej oddalonym od nasady łopaty wirnika.

Wspomniano również, że sieciowa struktura przewodowa wytwarzająca pole elektryczne umieszczona jest po stronie grzbietowej łopaty wirnika. Ta sieciowa struktura przewodów może stanowić matrycę z przewodów (np. z miedzi), w której wiele przewodów jest umieszczone równolegle względem siebie w odstępach od siebie w konfiguracji siatkowej, przy czym odstęp pomiędzy nimi wynosi w przybliżeniu 1-10 mm, korzystnie co najwyżej 4 mm.

Niespodziewanie stwierdzono, że przyłożenie pola elektrycznego o wartości od -2 do -10 kV, korzystnie w przybliżeniu -4 kV, powoduje zwiększenie wartości mocy łopaty wirnika o 10-15%, koPL 219 028 B1 rzystnie 12%. Równocześnie poziom mocy akustycznej łopaty wirnika według wynalazku jest zmniejszony co najwyżej o 1 dB.

Aby otrzymać pole elektryczne po stronie grzbietowej, trzeba w przypadku łopat wirnika o długości około 20 m zastosować energię elektryczną o napięciu około 5 kV na jedną łopatę wirnika, a przy długości łopat wirnika około 32 m napięcie to musi wynosić około 15 kV na jedną łopatę wirnika.

W tabeli poniżej przedstawiono zależność współczynnika CD od napięcia pola elektrycznego, na fig. 1 przebieg współczynnika CD w zależności od napięcia pola elektrycznego, zaś na fig. 2 przebieg współczynnika mocy (Cp) w zależności od napięcia pola elektrycznego.

Cd%	Napięcie (V)
100	0
90	1,6
80	3,9
70	5,3
60	6,6
50	7,5
40	8,2
30	8,8
20	9,2
10	9,3
0	9,4

Widać zatem, że współczynnik mocy CP osiąga maksymalne wartości mocy przy około 4 kV i 3,9 kV, a maleje znów przy wartościach napięcia mniejszych niż odpowiednio 3,9 kV i 4 kV.

Po spodniej stronie łopaty wirnika można zastosować pole elektryczne o napięciu np. w tym samym kierunku lub przeciwnym.

Nałożenie pola elektrycznego na łopatę wirnika może zawierać galwaniczne połączenie pomiędzy łopatą wirnika a źródłem napięcia lub źródłem ładunku wewnątrz elektrowni wiatrowej. Korzystnie stosuje się środki do oddzielenia tego połączenia galwanicznego, które mogą mieć postać łączników, które umożliwiają oddzielenie galwaniczne już przy łopacie wirnika, przy nasadzie łopaty wirnika lub przy piaście wirnika, albo wewnątrz elektrowni wiatrowej. Możliwe jest również stosowanie w takim połączeniu galwanicznym więcej niż jednego łącznika.

Galwaniczne rozdzielenie pomiędzy źródłem napięcia (ładunku) a łopatą wirnika jest korzystnie przerywane, gdy zbliża się burza z wyładowaniami elektrycznymi. Możliwe jest również przerywanie automatyczne w razie wykrycia sytuacji zagrażającej wyładowaniami atmosferycznymi. Można to mierzyć np. na podstawie poważnych wahań mocy, ponieważ poważne wahania mocy elektrowni wiatrowej lub poważne zmiany siły wiatru są oznakami porywów wiatru, które zwykle poprzedzają burzę z wyładowaniami atmosferycznymi. Możliwe jest jednak również wykrywanie zbliżającej się burzy przez pomiar napięcia elektrycznego w powietrzu.

Zwykle napięcie to rośnie (maleje), kiedy zbliża się burza i można to traktować jako stosunkowo niezawodny sygnał nadchodzącej burzy.

Wyłączenie pola przez rozdzielenie galwaniczne pomiędzy łopatą wirnika a źródłem napięcia ma na celu ochronę całej elektrowni wiatrowej, a zwłaszcza łopat wirnika. Należy zauważyć, że możliwe jest również sterowanie przerywaniem dołączenia napięcia za pomocą innych środków, które są już znane i za pomocą których można wykryć zbliżanie się burzy.

Claims

1. Sposób zmniejszenia współczynnika oporu aerodynamicznego i poziomu mocy akustycznej łopaty wirnika elektrowni wiatrowej, gdy podczas pracy łopata wirnika obraca się pod wpływem siły wiatru, przy czym łopata wirnika zawiera stronę spodnią i stronę grzbietową, znamienny tym, że podczas pracy, po stronie grzbietowej łopaty wirnika, wytwarza się obejmujące cały obszar stałe pole elektrostatyczne za pomocą sieciowej struktury przewodowej umiejscowionej po stronie grzbietowej łopaty wirnika, przy czym pole elektrostatyczne wytwarza się za pomocą sieciowej struktury przewodowej tworzącej matrycę przewodową posiadającą wiele przewodów umieszczonych równolegle względem siebie w odstępach od siebie i w konfiguracji siatkowej, ponadto do sieciowej struktury przewodowej przykłada się napięcie przez połączenie galwanicznie łopaty wirnika i źródła napięcia albo źródła ładunku.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stałe pole elektrostatyczne wytwarza się w obszarze pomiędzy krawędzią natarcia łopaty wirnika, a krawędzią spływu łopaty wirnika po stronie grzbietowej łopaty wirnika.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odstęp pomiędzy sąsiednimi przewodami matrycy przewodowej wynosi 2-10 mm, korzystnie co najwyżej 4 mm.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że do sieciowej struktury przewodowej przykłada się napięcie, które wynosi od -2 kV do -6 kV, korzystnie co najwyżej -4 kV.

5. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że wymagane napięcie stałe dla pola elektrostatycznego podaje się za pomocą źródła prądu stałego będącego źródłem napięcia albo ładunku.

6. Łopata wirnika elektrowni wiatrowej, która to łopata jest przystosowana do zmniejszania współczynnika oporu aerodynamicznego i poziomu mocy akustycznej, a podczas pracy łopata wirnika obraca się pod wpływem siły wiatru, przy czym łopata wirnika zawiera stronę spodnią i stronę grzbietową, znamienna tym, że podczas pracy, po stronie grzbietowej łopaty wirnika, wytworzone jest, obejmujące cały obszar stałe pole elektrostatyczne za pomocą sieciowej struktury przewodowej umiejscowionej po stronie grzbietowej łopaty wirnika, przy czym sieciowa struktura przewodowa tworzy matrycę przewodową posiadającą wiele przewodów umieszczonych równolegle względem siebie w odstępach od siebie i w konfiguracji siatkowej, ponadto do sieciowej struktury przewodowej przyłożone jest napięcie przez połączenie galwanicznie łopaty wirnika i źródła napięcia albo źródła ładunku.

7. Łopata wirnika według zastrz. 6, znamienna tym, że stałe pole elektrostatyczne wytworzone jest w obszarze pomiędzy krawędzią natarcia łopaty wirnika, a krawędzią spływu łopaty wirnika po stronie grzbietowej łopaty wirnika.

8. Łopata wirnika według zastrz. 6, znamienna tym, że odstęp pomiędzy sąsiednimi przewodami matrycy przewodowej wynosi 2-10 mm, korzystnie co najwyżej 4 mm.

9. Łopata wirnika według zastrz. 6, znamienna tym, że do sieciowej struktury przewodowej przykłada się napięcie, które wynosi od -2 kV do -6 kV, korzystnie co najwyżej -4 kV.

10. Łopata wirnika według zastrz. 6, znamienna tym, że źródło napięcia albo ładunku jest dostosowane do dostarczania wymaganego napięcia stałego dla pola elektrostatycznego za pomocą źródła prądu stałego.

11. Elektrownia wiatrowa zawierająca łopatę określoną zastrz. 6-10.