(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/EP02/ (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/EP02/ (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO03/ (13) B1 (51) Int.Cl. F03D 11/00 ( ) G02B 6/42 ( ) G01J 1/16 ( ) F03D 7/04 ( ) F03D 7/02 ( ) F03D 1/06 ( ) F21V 8/00 ( ) F21S 8/00 ( ) (54) Łopata wirnika i elektrownia wiatrowa posiadająca taką łopatę wirnika (30) Pierwszeństwo: , DE, , DE, (73) Uprawniony z patentu: Wobben Aloys, Aurich, DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 08/05 (72) Twórca(y) wynalazku: ALOYS WOBBEN, Aurich, DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 11/10 (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Kuźnicka-Łukomska Barbara PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Wynalazek dotyczy łopaty wirnika i elektrowni wiatrowej posiadającej taką łopatę wirnika. Elektrownie wiatrowe z łopatami wirnika najszerzej zmieniających się rodzajów są znane od dawna. Wiadomo, że w pewnych sytuacjach elektrownia wiatrowa musi być wyposażona w światło ostrzegawcze, by zwracać uwagę ruchu powietrznego w obszarze elektrowni wiatrowej na jej istnienie we właściwym czasie. Znane jest powlekanie w tym celu łopat wirnika przeważnie czerwoną farbą ostrzegawczą, tak aby można było uniknąć kolizji samolotu z wirnikiem elektrowni wiatrowej. Zaproponowano również w celu polepszenia ostrzegania ruchu lotniczego stosowanie żarówek lub innych źródeł światła na końcówkach łopat wirnika oprócz malowania łopat wirnika barwami sygnalizacyjnymi, przy czym takie lampy lub źródła światła włącza się nocą, tak że mogą być one łatwo widoczne dla ruchu lotniczego. Lepszym rozwiązaniem są łopaty wirnika, wewnątrz których poprowadzone są światłowody, przy czym źródło światła umieszczone jest przy zamocowaniu łopaty wirnika, zaś wyjściowy koniec światłowodu przy końcu łopaty wirnika. Rozwiązanie takie zostało przedstawione w opisie zgłoszeniowym SE A1. Światło może być emitowane w sposób impulsowy w wybranych miejscach obrotu łopaty. Światłowód może służyć również do pomiaru odkształceń. W opisie patentowym US BI przedstawiono układ złożony ze światłowodu, źródła i detektora światła oraz elektronicznego układu oceny światła wychodzącego i wchodzącego służący do wykrywania i pomiaru odkształceń obiektu sprzężonego ze światłowodem. Okazało się, że można tak poprowadzić światłowód wewnątrz łopaty wirnika, że może on służyć również do wykrywania i pomiaru odkształceń łopaty wirnika. Według wynalazku łopata wirnika elektrowni wiatrowej, przymocowana do piasty wirnika elektrowni wiatrowej i posiadająca końcówkę przy końcu tej łopaty usytuowanym przeciwległe wobec miejsca zamocowania łopaty wirnika, przy czym na całej długości łopaty wirnika ułożony jest światłowód, zaś światło jest wprowadzane przy wejściowym końcu światłowodu, a wychodzi ze światłowodu przy jego wyjściowym końcu, charakteryzuje się tym, że światłowód jest poprowadzony jako pętla, w której zarówno wejściowy koniec światłowodu, jak i wyjściowy koniec światłowodu znajdują się przy miejscu zamocowania łopaty wirnika, przy czym przy wyjściowym końcu światłowodu znajduje się zespół odbiorczy, korzystnie detektor ilości wychodzącego światła dołączony do układu oceny ilości światła wchodzącego i wychodzącego. Elektrownia wiatrowa posiadająca łopatę wirnika określoną powyżej, charakteryzuje się tym, że układ oceny ilości światła wchodzącego i wychodzącego jest dołączony do układu sterowania elektrowni wiatrowej. Źródłem światła, to znaczy urządzeniem wytwarzającym światło, może być na przykład laser lub dioda elektroluminescencyjna, albo wiele takich urządzeń umieszczonych w gondoli elektrowni wiatrowej. Wytworzone światło jest doprowadzane do światłowodu u nasady łopaty czyli przy piaście wirnika. Wynalazek proponuje wykorzystywanie światłowodów do przeprowadzania pomiarów naprężeń i obciążeń samej łopaty wirnika. Należy zwrócić uwagę na to, że światło wprowadzone do światłowodu odbija się we wnętrzu światłowodu przy odpowiednich krawędziach i przebiega do wyjścia przy końcu światłowodu. Z ilorazu ilości światła wprowadzonego do ilości światła wychodzącego można wyznaczyć wartość świadczącą o jakości. W optymalnej sytuacji ta wartość jest równa jedności, gdy ilość światła doprowadzonego do światłowodu odpowiada intensywności (lumeny) ilości światła na wyjściowym końcu światłowodu. Jakość falowodów zależy jednak od materiału światłowodu lub od natury wprowadzonego światła, ale również od drogi, na której światłowód jest ułożony. Jeżeli przykładowo światłowód jest ułożony wzdłuż linii prostej, wówczas poziom jakości jest zwykle większy niż gdy światłowód jest ułożony w różnych kształtach geometrycznych, obejmujących konfiguracje zwojów wężowych lub łuki albo inne promienie krzywizny. Przemieszczenie światłowodu poprzecznie do kierunku, w którym on przebiega, oznacza również, że propagacja światła wewnątrz światłowodu jest częściowo ograniczona, co powoduje, że ogólny poziom jakości maleje. Według wynalazku w przypadku łopaty wirnika elektrowni wiatrowej możliwe jest również wykorzystanie tego ostatnio wymienionego zjawiska do opto-elektrycznego mierzenia wygięcia łopaty wir-

3 PL B1 3 nika, jeżeli światłowód jest poprowadzony faktycznie w pętli zaczynającej się od piasty łopaty wirnika w określonej konfiguracji światłowodu w łopacie wirnika poprzez końcówkę łopaty wirnika i z powrotem do piasty. Przy wyjściowym końcu światłowodu usytuowany jest odpowiedni detektor, który mierzy natężenie światła wychodzącego, które jest w stały sposób związane z ilością światła wprowadzonego do światłowodu, za pomocą odpowiedniego urządzenia przetwarzającego (procesora). Jeśli przy wzrastającym obciążeniu łopaty wirnika (rosnąca prędkość wiatru) łopata ta stopniowo coraz bardziej ugina się, wówczas automatycznie powoduje to pogorszenie lub zmianę jakości, a z określonego poziomu jakości można również wydedukować mechaniczne obciążenie łopaty wirnika. Dlatego przy wskazanej powyżej odmianie wynalazku możliwe jest również określenie obciążenia łopaty wirnika nie tylko przy piaście, to znaczy przy osadzeniu łopaty wirnika, ale również w poszczególnych punktach, zwłaszcza też w obszarze końcówki łopaty. Można bardzo szybko określić wszelkie przeciążenia końcówki łopaty powodowane przez podmuch wiatru lub inne zdarzenie i można to wykorzystać równocześnie też do ewentualnego wyłączenia elektrowni wiatrowej lub do przeprowadzenia regulacji kąta ustawienia łopat wirnika, aby uniknąć sytuacji niepożądanego przeciążenia, ponieważ takie przeciążenia mogą zwykle spowodować znaczne skrócenie żywotności łopat wirnika, a więc i całej elektrowni wiatrowej. Światłowody można poprowadzić według najszerzej zmieniających się kształtów geometrycznych w samej łopacie wirnika lub pod najwyższą warstwą łopaty wirnika, albo na łopacie wirnika. Możliwe jest nie tylko poprowadzenie światłowodów bezpośrednio od piasty wirnika do końcówki łopaty wirnika i z powrotem po jednej stronie lub po różnych stronach łopaty, ale możliwe jest również owinięcie światłowodów spiralnie wokół całej łopaty wirnika od piasty wirnika, aż do końcówki łopaty i z powrotem, albo też możliwe jest ułożenie różnych pęków światłowodów w szeroko zmieniających się konfiguracjach geometrycznych w odniesieniu do łopaty wirnika (albo w samej łopacie wirnika). Im dalej światłowód jest oddalony od swego kierunku wzdłużnego po ugięciu łopaty wirnika, tym większy będzie spadek poziomu jakości i łatwiejszy będzie pomiar i wymiana linii wychodzących i powrotnych, przy czym w niektórych okolicznościach możliwe będzie również dokładne określenie, gdzie pojawia się lub gdzie pojawiło się niepożądane przeciążenie łopaty wirnika. Zaletą układania światłowodów w lub na łopacie wirnika jest również to, że układanie ich w taki sposób można przeprowadzać już podczas wytwarzania łopat wirnika, a same światłowody są zwykle bardzo wytrzymałe, zaś ponieważ same światłowody nie są przewodzące elektrycznie, są one również dobrze zabezpieczone przed ewentualnymi zakłóceniami powodowanymi przez uderzenia piorunów w wirnik elektrowni wiatrowej. Ponadto ewentualne przeciążenie łopaty wirnika może być mierzone za pomocą światłowodów (lub falowodów) znacznie szybciej niż np. za pomocą czujników tensometrycznych lub innych urządzeń pomiarowych, które mierzą obciążenie mechaniczne łopaty wirnika integralnie w obszarze przy piaście wirnika. Ponieważ sygnał elektryczny świadczący o natężeniu światła wychodzącego jest równie dobrze udostępniany przez detektor światła przy wyjściowym końcu światłowodu, taki sygnał elektryczny może również być bezpośrednio podawany do stanowiska zdalnego monitorowania elektrowni wiatrowej i może być tam odpowiednio oceniany oraz może być wykorzystywany do bardzo szybkiej interwencji w elektrowni, jeżeli elektrownia ta nie ma już automatycznych urządzeń sterujących, które, kiedy poziom jakości spadnie poniżej określonej wartości, automatycznie przeprowadzają kontrolę lub modyfikację instalacji, aby zmniejszyć obciążenie łopat wirnika. Kiedy światłowody są ułożone jako urządzenie oświetlenia końcówek łopat wirnika, wówczas urządzenie takie może być włączane nie w całym zakresie obrotów wirnika, ale tylko wtedy, gdy odpowiednia łopata wirnika jest w obszarze pomiędzy położeniami godziny dziewiątej i godziny trzeciej (gdy łopata wirnika obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara), albo korzystnie tylko w obszarze pomiędzy położeniem godziny dziesiątej a położeniem godziny drugiej. Przez wprowadzanie światła za pomocą diod możliwe jest również wprowadzanie do światłowodów nie tylko białego światła monochromatycznego, ale również światła o zmiennych barwach, a światło takie może być również bezpośrednio emitowane w różnych kierunkach dzięki odpowiedniemu wychodzeniu ze światłowodów przy końcówce łopaty wirnika. W takim przypadku, aby zwiększyć wartość natężenia, końce światłowodu mają odpowiednie soczewki, co z kolei równocześnie jeszcze raz chroni odpowiedni koniec światłowodu. Wynalazek jest poniżej wyjaśniony w przykładzie wykonania, na rysunku na którym: fig. 1 przedstawia widok przekroju łopaty wirnika ze światłowodem według wynalazku,

4 4 PL B1 fig. 2 przedstawia widok przekroju łopaty wirnika ze światłowodem według alternatywnego wykonania wynalazku. Fig. 1 przedstawia widok przekroju łopaty 10 wirnika z umieszczonym na niej lub w niej światłowodem 14 przebiegającym meandrowo w obszarze końcówki 15 łopaty wirnika. Zespół nadawczy 16 (elektroluminescencyjna dioda) jest umieszczony przy jednym złączu światłowodu 14, a odpowiedni zespół odbiorczy 18 (dioda) przyjmujący światło jest umieszczony przy drugim złączu światłowodu. Światło jest wprowadzane w światłowód przez diodę elektroluminescencyjną, a odbiorcza dioda odbiera światło po przejściu przez światłowód. Zanim elektrownia wiatrowa zostanie uruchomiona, łopata wirnika jest całkowicie pozbawiona ugięcia (to znaczy nie jest odkształcona przez wiatr). W takim stanie przeprowadzane są pomiary odniesienia. W takiej sytuacji mierzona jest ilość światła odbieranego przez odbierający światło zespół odbiorczy 18. Ilościową proporcję światła można zwykle wyrazić również procentowo, przy czym jest to zawsze wartość mniejsza niż 100%. Przy zmierzonej wartości 100% całe światło emitowane przez zespół nadawczy 16 pojawiałoby się w zespole odbiorczym 18 po przejściu przez światłowód 14, a poziom jakości wynosiłby wówczas 1. Po uruchomieniu elektrowni wiatrowej na skutek wiatru i ciśnienia dynamicznego cała łopata wirnika ulega wygięciu, zwłaszcza w obszarze końcówki. Powoduje to równocześnie zmianę pierwotnego położenia światłowodów i zmianę drogi odbicia wewnątrz światłowodu. Na skutek tego zwykle zmniejsza się odzysk światła w porównaniu ze stanem odniesienia i w zespole odbiorczym 18 mierzona jest mniejsza ilość światła. Ilościowy pomiar światła (pomiar modulacji światła) w zespole odbiorczym 18 (lub pomiar modulacji światła) pozwala określić stopień ugięcia łopaty wirnika, ponieważ po ugięciu łopaty poziom jakości jest poniżej poziomu jakości w porównaniu ze stanem odniesienia. Jeśli określone wygięcie łopaty wirnika wchodzi w zakres wartości niepożądanych, to znaczy poziom jakości maleje poniżej uprzednio określonej wartości, może być to również monitorowane za pomocą wynalazku i w razie potrzeby zmierzone dane mogą być wykorzystane do wyłączenia całej elektrowni wiatrowej dla jej własnego bezpieczeństwa. Ma to również tę zaletę, że w przypadku włoskowatego pęknięcia, które mogłoby ewentualnie wystąpić w łopacie wirnika elektrowni wiatrowej, przebiegającego zasadniczo poprzecznie względem falowodu, falowód ten może zostać bardzo szybko rozerwany, tak że całe przesyłanie światła jest wtedy nie tylko zakłócone, ale może być również przerwane. Falowód może być rozerwany w ten sposób, ponieważ falowody są zwykle projektowane tak, by były bardzo porowate w swym kierunku wzdłużnym i mają tylko niewielką sprężystość. Jeżeli przesyłanie światła falowodem jest zakłócone przez włoskowate pęknięcie, cała elektrownia może zostać unieruchomiona, a łopatę wirnika można bardzo dokładnie zbadać pod kątem ewentualnych pęknięć włoskowatych we wczesnym etapie. Fig. 1 nie pokazuje układu do dalszego przetwarzania zmierzonego światła. Układ taki może obejmować konwencjonalne elementy wytwarzające sygnał elektryczny na podstawie zmierzonej ilości światła, po czym odpowiedni sygnał elektryczny jest dalej przetwarzany w procesorze lub innym urządzeniu przetwarzającym w taki sposób, że określa się ilościową wartość odebranego światła, która jest następnie ewentualnie odnoszona do ilości światła wprowadzanego w światłowód. Wartość odniesioną do jakości można wydedukować bezpośrednio ze stosunku wartości (ilość emitowanego światła/ilość odebranego światła). Korzystne jest utworzenie w odpowiedniej pamięci tablicy poziomów jakości, gdzie jeśli zapewniana jakość maleje poniżej lub wzrasta powyżej zadanych poziomów jakości, wówczas mogą być podejmowane odpowiednie potrzebne środki w odniesieniu do elektrowni wiatrowej, np. elektrownia może zostać wyłączona. Alternatywnie lub dodatkowo wobec konstrukcji przedstawionej na fig. 1 na fig. 2 pokazano pęk falowodów, które są ułożone od piasty łopaty wirnika do końcówki łopaty. W obszarze piasty światło jest wprowadzane do falowodów za pomocą lampy 14, a w obszarze końcowym światło wychodzi z falowodów tak, że obszar końcowy jest dobrze oświetlony przynajmniej nocą, co zwraca uwagę pilotów samolotów na elektrownię wiatrową. Należy zauważyć, że wymienione wyżej alternatywy można również łączyć ze sobą tak, że oprócz oświetlenia końcówki możliwe jest również monitorowanie odchylania światła przez łopatę wirnika. Lampę 14 może w takim przypadku stanowić również dioda elektroluminescencyjna. Należy zauważyć, że włączanie źródeł światła 14 i 16 może być zależne od pory dnia, ciemności lub odpowiedniego usytuowania indywidualnej łopaty wirnika, np. światło może być włączane, kiedy łopata wirnika jest w położeniu od godziny do godziny 12.00/14.00 na zegarze.

5 PL B1 5 Ma to tę zaletę, że z jednej strony źródła światła są oszczędzane, a ponadto są zapalane tylko przy takim położeniu łopaty wirnika, w którym łopata wirnika jest ciągle widoczna. Ponadto zmniejsza się do minimum zanieczyszczenie środowiska wokół elektrowni wiatrowej, gdy źródła światła są włączane. Jest oczywiste, że opisany układ oświetlenia końcówki za pomocą światłowodu może być również realizowany przy użyciu innych elementów świecących, np. diod elektroluminescencyjnych, które są wtedy zasilane energią elektryczną poprzez odpowiednie przewody. Urządzenie do sterowania źródeł światła jest korzystnie sprzężone z układem sterowania elektrownią wiatrową, tak że źródła światła mogą być włączane w zależności od położenia łopaty wirnika. Zastrzeżenia patentowe 1. Łopata wirnika elektrowni wiatrowej, przymocowana do piasty wirnika elektrowni wiatrowej i posiadająca końcówkę przy końcu tej łopaty usytuowanym przeciwległe wobec miejsca zamocowania łopaty wirnika, przy czym na całej długości łopaty wirnika ułożony jest światłowód, zaś światło jest wprowadzane przy wejściowym końcu światłowodu, a wychodzi ze światłowodu przy jego wyjściowym końcu, znamienna tym, że światłowód (14) jest poprowadzony jako pętla, w której zarówno wejściowy koniec światłowodu (14), jak i wyjściowy koniec światłowodu (14) znajdują się przy miejscu zamocowania łopaty (10) wirnika, przy czym przy wyjściowym końcu światłowodu (14) znajduje się zespół odbiorczy (18) korzystnie detektor ilości wychodzącego światła dołączony do układu oceny ilości światła wchodzącego i wychodzącego. 2. Elektrownia wiatrowa posiadająca łopatę wirnika określoną zastrz. 1, znamienna tym, że układ oceny ilości światła wchodzącego i wychodzącego jest dołączony do układu sterowania elektrowni wiatrowej.

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.