(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 PL/EP T3 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) T3 (1) Int. Cl. F03D9/00 F03D7/02 (06.01) (06.01) (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej Europejski Biuletyn Patentowy 09/22 EP B1 (4) Tytuł wynalazku: Sposób sterowania i regulacji turbiny wiatrowej () Pierwszeństwo: DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 07/0 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 12/09 (73) Uprawniony z patentu: NORDEX Energy GmbH, Norderstedt, DE (72) Twórca (y) wynalazku: VOSS Eberhard, Jörnstorf, DE (74) Pełnomocnik: Polservice Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. rzecz. pat. Własienko Józef Warszawa skr. pocz. 33 Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 3/7P24627PL Opis 1 2 Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu sterowania i regulacji turbiny wiatrowej. Znany jest z dokumentu DE A1 sposób pracy turbiny wiatrowej, dzięki któremu można zwiększyć wydajność turbiny wiatrowej, a jednocześnie ograniczyć obciążenie przy większych prędkościach wiatru. W tym celu, moc turbiny wiatrowej jest zmniejszana od z góry określonej prędkości wiatru wyłączającego, w ten sposób, że robocza prędkość obrotowa wirnika turbiny wiatrowej jest ograniczana. Znana turbina wiatrowa nie jest przy tym całkowicie wyłączana po osiągnięciu prędkości granicznej, lecz turbina wiatrowa jest zmuszana do ograniczenia roboczej prędkość obrotowej, gdy tylko prędkość wiatru przekroczy wartość prędkości granicznej. Turbina wiatrowa w ten sposób kontynuuje pracę przy prędkości przekraczającej zwykłą prędkość wyłączenia, dzięki czemu wykres charakterystyki mocy wydłuża się w kierunku większych prędkości wiatru i wydajność energetyczna oraz synchronizacja urządzenia z siecią są poprawiane. Znana jest z dokumentu EP A2 siłownia wiatrowa z regulowanym skokiem łopat wirnika. Dla turbiny wiatrowej przewidziana jest stacjonarna pozycja parkowania, w której obciążenie turbiny wiatrowej jest redukowane. Turbina wiatrowa jest w pozycji parkowania stabilizowana przez aktywne regulowanie ustawienia łopat wirnika. Jeśli, na przykład, nastąpi wynikające z turbulencji wyjście łopat wirnika z pozycji parkowania, wówczas następuje regulacja, która przeciwdziała temu wyjściu. W tym celu zakres obrotu łopat wirnika jest zwiększany tak, że łopaty, ciągnięte w normalnym kierunku obrotów wirnika, mogą wytworzyć przeciwny moment obrotowy.

3 Znany jest z dokumentu DE C2 sposób sterowania turbiną wiatrową, dzięki któremu powyżej prędkość wyłączania gondoli jest ona ustawiana w korzystnej pozycji azymutalnej, przy czym równocześnie łopaty wirnika dla pozycji azymutalnej są ustawiane w pozycji chorągiewki. Zwłaszcza w przypadku tego sposobu sterowania rezygnuje się z uruchamiania hamulca azymutalnego i hamulca wirnika tak, że wiejący wiatr ustawia wirnik od strony zawietrznej w pozycji o najmniejszym oporze dla wiatru. W przypadku znanego sposobu unika się dalszej regulacji ustawionych w pozycji azymutalnej łopat wirnika w pozycji chorągiewki, skierowanych na główny kierunek wiatru. Dokument DE C1 opisuje turbinę wiatrową z dwoma ustawieniami parkowania dla gondoli. W pierwszym ustawieniu parkowania, gondola jest skierowana w stronę nawietrzną, wiatr opływa krawędzie spływu łopat wirnika. W drugim ustawieniu parkowania, gondola jest obracana w kierunku zawietrznej wieży turbiny wiatrowej tak, że wiatr opływa krawędzie natarcia łopat wirnika. W drugiej pozycji, gondola jest mechanicznie swobodna i nadąża za zmianami kierunku wiatru. Celem wynalazku jest zapewnienie sposobu sterowania turbiną wiatrową, która redukuje obciążenie turbiny wiatrowej w przypadku dużych prędkości wiatru i przy ewentualnym wyłączeniu sieci elektrycznej, zapewnia dalsze zasilanie turbiny wiatrowej. Cel, zgodnie z wynalazkiem, został osiągnięty za pomocą cech podanych w zastrzeżeniu 1. Korzystne przykłady wykonania są przedstawione w zastrzeżeniach zależnych. Sposób według wynalazku dotyczy sterowania i regulacji turbiny wiatrowej, która zawiera gondolę, co najmniej jedną łopatę wirnika i zasilanie. Gondola może być ustawiana pod odpowiednim kątem azymutu. Łopata wirnika lub

4 większa liczba łopat wirnika może być obracana wokół osi wzdłużnej, co nazywane jest ustawianiem skoku. W przypadku sposobu według wynalazku, dla pracy jałowej, jednostka sterująca określa, na podstawie zmierzonych wartości prędkości wiatru i kierunku wiatru, pozycję kątową dla gondoli i jeden lub więcej kątów ustawień dla co najmniej jednej łopaty wirnika, kiedy zmierzona prędkość wiatru przekracza określoną wartość prędkości. W tym celu, po przekroczeniu z góry określonej wartości prędkości dla danego korzystnego trybu pracy turbiny wiatrowej, jednostka sterująca oblicza kąt azymutu i ustawienie skoku. Z góry określona pozycja kątowa jest ustawiana przez napęd azymutu i napęd skoku, przy czym oba napędy zasilane są przez układ zasilania. Jednostka sterująca określa kąt w ten sposób, że co najmniej jedna łopata wirnika obraca się z prędkością obrotową o wartości w z góry określonym zakresie prędkości obrotowej. W wynalazku przyjmuje się, że również w trybie pracy według wynalazku powinny występować takie obroty, że przy silnym wietrze, urządzenie jest w niewielkim stopniu obciążone i/lub przy użyciu generatora pomocniczego można uzyskiwać energię. Sposób według wynalazku posiada dwa istotne przypadki zastosowania. W pierwszym przypadku, w którym zasilanie jest zapewnione, na przykład, przez sieć elektryczną lub w inny sposób, jest wybierana duża z góry określona wartość prędkości, na przykład, w zakresie prędkości wyłączenia tak, że przy dużych prędkościach wiatru turbina wiatrowa pracuje w trybie jałowym. Przy tym wirnik nie jest zatrzymywany, ale może się obracać z małą prędkością obrotową. W drugim zastosowaniu sposobu według wynalazku, elektryczna sieć lub jej przyłącze są wyłączone tak, że energia elektryczna uzyskiwana z generatora nie może być wykorzystywana i urządzenia turbiny wiatrowej nie mogą być długo zasilane. W tym przypadku wybierana jest

5 bardzo mała, z góry określona prędkość tak, że sposób według wynalazku również przy normalnych warunkach wiatru jest wykorzystywany. W tym przypadku turbina wiatrowa obraca się z prędkością obrotową o wartości w z góry określonym zakresie prędkości obrotowej i wytwarza w ten sposób energię niezbędną do zasilania w jałowym trybie pracy. W korzystnym przykładzie wykonania, jednostka sterująca określa dla co najmniej jednej łopaty wirnika wartość zadaną dla kąta ustawienia zależnie od wyliczonego kąta azymutu i innych wielkości, jak na przykład, wartości chwilowej prędkości obrotowej, kierunku wiatru i prędkości wiatru. W przypadku zmierzonego kierunku wiatru lub przy określonym głównym kierunku wiatru dla zmiennego kierunku wiatru, kąt skoku jest określany przy uwzględnieniu co najmniej wartości zadanej korzystnego kąta azymutu i/lub wartości chwilowej prędkości obrotowej. W jednym z opisanych powyżej wariantów sposobu według wynalazku zasilanie następuje przez sieć elektryczną, z którą turbina wiatrowa jest połączona. W tym przypadku wystarczy zasilanie dla urządzenia turbiny wiatrowej, w odpowiednich rozmiarach, jak na przykład, jednostki sterującej, napędów, czujników pomiarowych, urządzeń komunikacyjnych i tym podobnych tak, że zasilanie awaryjne lub pomocnicze nie jest wymagane. Przejście do pracy jałowej następuje wówczas, gdy odpowiednio duża wartość dla z góry określonej prędkości wiatru zostanie przekroczona, przy czym z góry określona wartość prędkości (v * 1 ) odpowiada niemal prędkości wyłączenia turbiny wiatrowej. W drugiej sytuacji przewidziany jest generator pomocniczy, który wykorzystywany jest do zasilania w określonym zakresie prędkości obrotowej trybu jałowego i którego wał wejściowy jednego z wirników jest sprzężony z

6 napędzanym wałem. W tym zastosowaniu sposobu według wynalazku, generator pomocniczy uzyskuje elektryczną moc, niezbędną do zasilania, z obrotów wirnika w jałowym trybie pracy. Korzystnie, z góry określony zakres prędkości obrotowej posiada w tym przypadku niewielkie prędkości obrotowe w porównaniu z normalną pracą turbiny wiatrowej. Alternatywnie, z góry określany zakres prędkości obrotowej może obejmować również prędkości obrotowe, które występują podczas normalnej pracy turbiny wiatrowej. W tym przypadku generator przeznaczony do normalnej pracy, korzystnie służy jako generator pomocniczy. Korzystnie generator pomocniczy jest tak skonstruowany, że co najmniej część zapotrzebowania na energię elektryczną turbiny wiatrowej może być długotrwale pokrywane przez generator. W przypadku wyłączenia sieci połączonej z turbiną wiatrową, z góry określona wartość dla prędkości wiatru ma na tyle małą wartość, że generator pomocniczy może zaspokajać część zapotrzebowania na energię turbiny wiatrowej. Przy tym z góry określona wartość odpowiada mniej więcej prędkości włączenia turbiny wiatrowej. Korzystnie jednostka sterująca określa dla co najmniej jednej łopaty wirnika wartość zadaną dla kąta ustawienia zależnie od zapotrzebowania na moc zasilanych urządzeń w turbinie wiatrowej. Trzy możliwe zastosowania sposobu według wynalazku są poniżej objaśnione za pomocą trzech schematów blokowych. Pokazują one: Fig. 1 przedstawia schemat blokowy dla sposobu według wynalazku, który przy przekroczeniu z góry * określonej wartości v 1 dla prędkości wiatru przełącza turbinę wiatrową w kontrolowany tryb pracy jałowej,

7 -7- Fig. 2 przedstawia przebieg sposobu według wynalazku, który w przypadku awarii zasilania przełącza turbinę wiatrową w kontrolowany tryb pracy jałowej, zaś Fig. 3 przedstawia sposób sterowania, który zarówno przy przekroczeniu pierwszej prędkości wiatru v 1 *, jak również przy awarii zasilania przełącza turbinę wiatrową w kontrolowany tryb pracy jałowej, aby zasilać urządzenia turbiny wiatrowej. 1 2 Najpierw w odniesieniu do Fig.1: Sposób według wynalazku jest inicjowany w etapie procesu. W następnym zapytaniu 12 jednostka sterująca sprawdza, czy wartość dla zmierzonej prędkości wiatru v jest większa niż z góry * określona wartość V 1 dla prędkości wiatru. W przypadku zmierzonej wartości prędkości wiatru można mówić o wartości chwilowej lub wartości uśrednionej w określonym przedziale czasowym tak, że krótkotrwałe zmiany prędkości wiatru są niwelowane. Z góry określona wartość dla prędkości wiatru V * jest przy tym korzystnie bliska normalnej prędkości wyłączenia dla turbiny wiatrowej, przy której, ze względu na dużą siłę wiatru, nie można realizować normalnej pracy. Jeśli zmierzona prędkość wiatru v przekracza z góry określoną wartość graniczną dla prędkości wiatru v * 1, jednostka sterująca wylicza w następnym etapie 14 wartość zadaną dla kąta azymutu α soll i kąta skoku φ soll dla łopat wirnika. Korzystnie, w celu równomiernego obciążenia łopat wirnika, wszystkie łopaty wirnika mają tak samo ustawiany skok. Wartości zadane α soll i φ soll są przy tym tak wyliczane, że turbina wiatrowa hamuje z chwilowej prędkości obrotowej do mniejszej wartości prędkości obrotowej, po czym w etapie 16 przez jednostkę sterującą określa nastawianą wartość zadaną. Turbina wiatrowa obraca się wówczas z mniejszą, ale z góry określoną prędkością

8 obrotową. Na Fig. 1 nie jest przedstawiona regulacja, która może być przewidziana w celu stabilizacji założonej prędkości obrotowej. Jeśli prędkość obrotowa, uzyskana za pomocą kątów α i φ, zmieni się w górę lub w dół od z góry określonego przedziału prędkości obrotowej, następuje regulacja, która powoduje, że prędkość obrotowa powraca do zadanego zakresu wartości prędkości obrotowej. Gondola pozostaje przy tym zwrócona w stronę wiatru. Szczególną zaletą przedstawionego na Fig. 1 sposobu jest to, że przy pracy jałowej z małą prędkością obrotową, turbina wiatrowa jest stabilna również podczas burzy. Wolny obrót wirników nie pozawala, aby w wyniku wiatru lub burzy wytworzyły się napięcia i siły, które mogą uszkodzić turbinę wiatrową. Również występujące nagle szkwały przestają być krytyczne dzięki obrotom łopat wirnika. Praca jałowa zwiększa stabilność turbiny wiatrowej tak, że może być odpowiednio zaprojektowana. Fig. 2 przedstawia inne zastosowanie kontrolowanej pracy jałowej, w którym, po inicjalizacji 18, w zapytaniu badane jest, czy działa sieć elektryczna, z którą połączona jest turbina wiatrowa w celu zasilania w energię elektryczną. Jeśli sieć elektryczna działa, wówczas można wykonywać etap 22 procesu z kolejnym sterowaniem lub regulacją, na przykład, również z przedstawioną na Fig. 1 realizacją sposobu, jak zostanie to poniżej dokładniej opisane. Jeśli sieć elektryczna jest wyłączona, w etapie 24 sprawdzane jest, czy zmierzona prędkość obrotowa v jest większa niż z góry określona minimalna prędkość wiatru v * 2. Minimalna prędkość wiatru v * 2 jest przy tym tak wyznaczona, że zasilanie urządzeń elektrycznych w turbinie wiatrowej może być zapewnione przez generator pomocniczy z energii uzyskiwanej z wiatru. Jeśli zmierzona prędkość wiatru nie przekracza z góry określonej wartości minimalnej prędkości

9 wiatru, wykonywane są w etapie 26 czynności niezbędne do zapewnienia bezpieczeństwa turbiny wiatrowej w przypadku wyłączenia zasilania sieciowego. Do nich można zaliczyć ustawienie łopat wirnika w pozycji chorągiewki, zabezpieczenie i zamykanie zgodnie z określona procedurą jednostki sterującej, uruchomienie generatorów awaryjnych i tym podobne. Jeśli jednak uzyskiwana z wiatru moc jest wystarczająca przy awarii zasilania, aby uzyskiwać za pomocą generatora pomocniczego, który połączony jest z wirnikiem, wystarczającą energię elektryczną dla turbiny wiatrowej, wówczas jednostka sterująca, w etapie 28, określa wartość zadaną dla kątów azymutu i skoku tak, aby turbina wiatrowa pracowała z prędkością obrotową odpowiednią dla generatora pomocniczego, po czym w etapie, jest nastawiany z góry określony kąt α i φ. Zastosowanie w przypadku awarii zasilania jednego z napędzanych przez wirnik elektrycznych generatorów pomocniczych pozwala, aby turbina wiatrowa, niezależnie od zewnętrznego zasilania lub dołączanego agregatu pomocniczego, miała wystarczającą ilość energii do zasilania elektrycznych urządzeń i mogła długo prawidłowo funkcjonować. Fig. 3 przedstawia szczególnie korzystną kombinację realizacji obu sposobów. W przypadku przedstawionej na Fig. 3 realizacji sposobu, po zainicjowaniu sposobu w etapie 32, w następnym etapie 34 badane jest, czy można uzyskać zasilanie z sieci elektrycznej lub regularnie z generatora wytwarzającego prąd. Jeśli z zapytania 34 wynika, że do dyspozycji jest wystarczająca wielkość zasilania, w następnym etapie 36 sprawdzane jest, czy zmierzona prędkość wiatru przekracza z góry określoną wartość v * 1. Jeśli tak nie jest, wówczas ta

10 część procedury sposobu wraca odgałęzieniem 38 do pozycji wyjściowej i można wykonywać normalne sterowanie lub regulację turbiny wiatrowej, w celu osiągania maksymalnej mocy (nie jest to pokazane). Jeśli zmierzona prędkość wiatru v przekracza z góry określoną wartość v * 1, wówczas w etapie 40 wyliczana jest pierwsza wartość zadana dla kątów azymutu i skoku (α soll_1 i φ soll_1 ). Kąty te są przez jednostkę sterującą tak ustalane, że turbina wiatrowa, po ustawieniu kątów w etapie 42 procesu, zostanie wyhamowana do wartości w z góry określonym zakresie prędkości obrotowej. Dla kątów α 1 i φ 1 uzyskiwana jest stabilna praca jałowa, przy której, w przypadku silnego wiatru (v > V]*) turbina wiatrowa działa w trybie jałowym. Jeśli w zapytaniu 43 zostanie stwierdzone, że sieć elektryczna jest wyłączona, wówczas w etapie 44 badane jest, czy prędkość wiatru jest wystarczająco duża, aby zapewnić za pomocą generatora pomocniczego wystarczającą moc elektryczną. Jeśli nie, w etapie 46 zostaną, podobnie jak w sposobie przedstawionym na Fig. 2, podjęte odpowiednie środki doraźne w celu zabezpieczenia turbiny wiatrowej. Jeśli w zapytaniu 44 zostanie jednak stwierdzone, że wiatr jest dostatecznie silny (v > v * 2 ), aby uzyskiwać przy użyciu generatora pomocniczego dostateczną moc elektryczną do zasilania turbiny wiatrowej, wówczas w etapie 48 wyliczane są odpowiednie wartości zadane dla kątów azymutu i skoku (α soll_2, φ soll_2 ). Po nastawieniu tych kątów w etapie 0 procesu, generator pomocniczy uzyskuje moc elektryczną wystarczającą dla pracy turbiny wiatrowej, bez zasilania jej z sieci. Dla uproszczenia, w przedstawionych przykładach opisano kontrolowaną pracę jałową turbiny wiatrowej tylko

11 -11- dla ustawienia kątów azymutu i skoku. Przyjęto przy tym, że turbina wiatrowa, po pracy przez określony czas w z góry określonym zakresie prędkości obrotowej, zmienia prędkość. Może jednak również zostać sprowadzona do wartości w z góry określonym zakresie prędkości obrotowej, przy czym, na przykład, wartość chwilowej prędkości obrotowej jest mierzona i jest uwzględniana przy wyznaczaniu wartości zadanej dla kątów. Zastrzeżenia patentowe Sposób sterowania i regulowania turbiny wiatrowej z ustawianą pod określonym kątem azymutu gondolą, wirnikiem co najmniej z jedną, obracaną wokół wzdłużnej osi, łopatą wirnika, zasilaniem i jednostką sterującą, która posiada tryb pracy dla biegu jałowego, przy czym sposób znamienny jest tym, że obejmuje następujące etapy: - jednostkę sterującą włącza się, w dwóch przypadkach, na tryb pracy biegu jałowego, mianowicie wtedy, gdy (i) prędkość wiatru przekracza prędkość wyłączenia i zasilanie następuje przez sieć elektryczną połączoną z turbiną wiatrową, lub gdy (ii) prędkość wiatru przekracza prędkość włączenia, zaś połączona z turbiną wiatrową sieć elektryczna lub jej przyłącze są wyłączone, - jednostką sterującą określa się na podstawie zmierzonych wartości (v) prędkości wiatru i kierunku wiatru azymutalną pozycję kątową (α) dla gondoli i jeden lub więcej kątów ustawienia (φ) dla co najmniej jednej łopaty wirnika tak, że wirnik w ustalonej

12 pozycji obraca się z prędkością obrotową o wartości w z góry określonym zakresie prędkości obrotowej, - co najmniej jednym, zasilanym przez układ zasilania, napędem azymutowym ustawia się gondolę w określoną przez jednostkę sterującą azymutalną pozycję kątową (α) i co najmniej jednym, zasilanym przez układ zasilania, napędem skoku ustawia się co najmniej jedną łopatę wirnika w określonej przez jednostkę sterującą pozycji kątowej (φ), przy czym sprzężony z wirnikiem generator pomocniczy pokrywa co najmniej część zapotrzebowania turbiny wiatrowej na prąd, kiedy połączona z turbiną wiatrową sieć elektryczna jest wyłączona. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jednostką sterującą dla co najmniej jednej łopaty wirnika określa się wartość zadaną dla kąta ustawienia zależnie od co najmniej wyliczonego kąta azymutu i/lub wartości chwilowej prędkości obrotowej. 3. Sposób według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że z góry określony zakres prędkości obrotowej zawiera małe prędkości obrotowe w porównaniu z normalną pracą turbiny wiatrowej. 4. Sposób według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że z góry określony zakres prędkości obrotowej obejmuje prędkości obrotowe, które występują przy normalnej pracy turbiny wiatrowej.. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do 4, znamienny tym, że przeznaczony dla normalnej pracy generator przewidziany jest jako generator pomocniczy. 6. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do, znamienny tym, że generator pomocniczy dostosowany jest do zasilania co najmniej części elektrycznych urządzeń turbiny wiatrowej, przy czym urządzenia te obejmują co

13 -13- najmniej jednostkę sterującą, czujnik wiatru, napęd azymutalny i skoku. 7. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że jednostką sterującą dla co najmniej jednej łopaty wirnika określa się wartość zadaną dla kąta ustawienia zależnie od zapotrzebowania na moc zasilanych urządzeń elektrycznych w turbinie wiatrowej. 8. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienny tym, że w trybie pracy biegu jałowego występuje długotrwałe obracanie wirnika. NORDEX Energy GmbH Pełnomocnik:

14 3/7P24627PL

15 -1-

16 -16-