FI117351B

FI117351B - Menetelmä tuulivoimalan ohjauksessa

Info

Publication number: FI117351B
Application number: FI20050108A
Authority: FI
Inventors: Georg Boehmeke
Original assignee: Winwind Oy
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-09-15
Also published as: EP1696122A3; FI20050108A0; EP1696122A2

Description

117351

MENETELMÄ TUULIVOIMALAN OHJAUKSESSA KEKSINNÖN ALA

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty menetelmä tuulivoimalan oh-5 jauksessa poikkeustilanteessa, kuten esimerkiksi myrskyn, verkkokatkon tai häiriön aikana.

KEKSINNÖN TAUSTA

Perinteisesti tuulen nopeuden kasvaessa tiet-10 tyjen voimalakohtaisten rajojen, yleensä 20 - 25 m/s, yli roottorin lavat käännetään myrskyasentoon eli 90° kulmaan roottorin pyörimistasosta eli tuulen suuntaisiksi. Tähän asentoon lavat lukitaan ja roottori pysäytetään myrskytuulen ajaksi. Tuulen nopeuden pienen-15 nettyä riittävästi tuulivoimala käynnistetään uudelleen.

Ongelmia tunnetussa tekniikassa on useita.

Myrskyn aikana voi tapahtua verkon katko, erityisesti siksi koska puut kaatuvat voimalinjojen päälle. Tuulen 20 nopeus ja suunta voivat myrskytuulen aikana vaihdella .. moneen kertaan, jolloin roottori ei enää ole suoraan • · * ;.· tuulta vasten, koska tarvittava energia puuttuu verk- • · *···’ kokatkon aikana. Tällöin roottorin kohdistuu sivut- * * täistä tuulta, joka aiheuttaa sellaisia suuria voimia, ··· *...· 25 joihin koko laitteistoa ei välttämättä ole mitoitettu.

* ft •J · Roottorin suuntasysteemi vaatii sähköistä energiaa, :***: jota ei ole saatavissa verkkokatkon aikana ja kun ft« « roottori ei pyöri.

: Toinen ongelma on etenkin talviaikaan koneis- .*··. 30 ton lämpimänä pitäminen, mikä verkkokatkon aikaan on * * V vaikeaa ilman erillistä lämmönlähdettä. Vaihtoehtoina ^ * on joko antaa koneiston jäähtyä, mikä johtaa vesi- * * * höyryn tiivistymisriskiin ja mahdollisiin sisäisiin ruostevaurioihin tai erillisen dieselgeneraattorin tai :v. 35 vastaavan hankkimisen tarvittavan sähkön ja lämmön • · tuottamiseksi.

117351 2

Kolmas ongelma on vaihteiston voitelutlianne, koska jarrutettuna jarrun vääntömomentti välittyy ham-mastuksen kautta. Tällöin roottorin pienet liikkeet turbulenttisessa tuulikentässä aiheuttavat mikroliik-5 keitä hammastuksessa, mikä johtaa vaurioihin ellei vaihteistoa voidella olennaisen jatkuvasti. Myös tämä vaatii apuenergiaa.

Kuten edellä jo mainittiin, periaatteessa monet esitetyt ongelmat voitaisiin ratkaista sopivalla 10 aggregaatilla. Tämä on kuitenkin sekä investointi- että .käyttökustannuksiltaan kallis ratkaisu. Toinen lähes yhtä kallis ratkaisu esitettyihin ongelmiin olisi erillisen pienen tuulimyllyn rakentaminen samaan yhteyteen, esimerkiksi tuulivoimalan konehuoneen päähän.

15 Sen teho voisi olla muutama kW ja edullisesti se olisi rakenteeltaan pystyakselinen eli esimerkiksi Darrieus-roottori tai Savonius-roottori. Tämä pieni voimala mitoitettaisiin siten, että sitä käytetään vain kovalla tuulella ja se antaisi riittävän tehon tuulivoimalan 20 tiettyjen toimintojen ylläpitämiseksi.

.V. KEKSINNÖN TARKOITUS

» · · * · ·**'; Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä * * * mainitut epäkohdat.

.···. 25 Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda • · esiin uudenlainen ratkaisu, jonka avulla tuulivoimala * * saadaan pidetyksi käyttökunnossa jatkuvasti erilaisis- * * ***** sa poikkeustilanteissa ilman ulkopuolista energiaa ja vähäisin kustannuksin.

• » : 30 Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda » * » esiin menetelmä, jonka avulla minimoidaan myrskytuul- « ten haitalliset vaikutukset tuulivoimalan rakentei- • ft φ···# siin.

♦ » ··· 35 ·· ft • ft ft ♦ · ft ft 117351 3

KEKSINNÖN YHTEENVETO

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukainen menetelmä on tarkoitettu 5 käytettäväksi tuulivoimalan ohjauksessa erilaisissa poikkeustilanteissa, kuten verkkokatkoissa, vikatilanteissa ja tuulen nopeuden ylittäessä normaalin tuotantokäyttöön määritellyn maksiminopeuden, joka tuulivoimalasta riippuen on yleensä 20 - 25 m/s. Tuulivoima-10 laan kuuluu vaaka-akselinen j a ainakin kaksilapainen roottori, joka on yhdistetty generaattoriin, jotka yhdessä ovat käännettävissä pystyakselin ympäri roottorin pyörimistason pitämiseksi olennaisesti kohtisuorassa tuulen suuntaan nähden. Keksinnön mukaises-15 ti poikkeustilanteessa, kuten esimerkiksi tuulen nopeuden ylittäessä tuulivoimalalle määritellyn maksiminopeuden roottorin lapojen lapakulmat säädetään mini-mikäyttökulmaan lähelle 90° myrskyasentoa. Näin roottori ja sen mukana generaattori saadaan pyörimään al-20 tiaisella pyörimisnopeudella ja tuottamaan riittävä teho, mikä tarvitaan roottorin kääntämiseksi ja pitämi-seksi tuulen suunnassa mainitun poikkeustilanteen kes- * * ton ajan.

• ·♦

Keksinnön mukaisen menetelmän voidaan sanoa * 9 25 perustuvan siihen oivallukseen, että erilaisissa poik- • * /** keustilanteissa, kun sähköä ei ole saatavissa verkosta • · * eikä tuulivoimala normaalisti toimi, on mahdollista • · *···’ pyörittää tuulivoimalan roottoria erittäin hiljaa ja saada siitä riittävä teho tiettyihin perustoimintoi-: 30 hin.

• * a ϊ^ί Edullisesti keksinnön mukaisessa menetelmässä lapakulmat lukitaan tiettyyn kulmaan poikkeustilanteen * a ajaksi. Kun säädetty ja lukittu kulma on riittävän • · , , *** pieni, ei ole vaaraa, että voimakaskaan myrskytuuli * *!'" 35 vahingoittaisi voimalan rakenteita. On kuitenkin myös mahdollista, että lapakulmia säädetään jonkin verran mainitun mi nimi käyttökulman ympärillä esimerkiksi 117351 4 niin, että pyörimisnopeus pidetään alhaisena ja vakiona.

Minimikäyttökulmana pidetään 80' - 88°, edullisesti 82* - 87? esimerkiksi noin 85°. Käytettävä minimi-5 käyttökulma voi olla aina vakio tietylle tuulivoimalalle, mutta lapojen lukittava minimikäyttökulma voidaan myös valita aina tapauskohtaisesti tai säätää.

Käytännössä kovassa myrskytuulessa roottori pyörii keksinnön mukaisesti ohjattuna erittäin hiljaa 10 pyörimisnopeuden ollessa luokkaa 0,5 - 2 rpm, esimerkiksi noin 1 rpm. Samoin generaattorista otettava teho on edullisesti hyvin pieni, edullisesti 1-5 kW, esimerkiksi 2 - 4 kW, verrattuna generaattorin nimelliste-hoon, joka on esimerkiksi välillä 500 kW - 5 MW. Koska 15 kestomagneeteilla herätetty generaattorin jännite on siinä tapauksessa alhainen, voidaan käyttää kytkentä-virtalähdettä, joka muuttaa sähkön sopivaksi. Kytkentä-virtalähde voi sisältää keinoja energian tasoittamiseksi, esimerkiksi akut, kaksikerroskondensaattorit tai 20 muita varaavia välineitä.

Keksinnön mukaisella tuulivoimalan ohjausme-. . netelmällä on merkittäviä etuja tunnettuun tekniikkaan ti· l\l verrattuna. Myös myrskytuulen ja verkkokatkon ajan t * *···* tuulivoimala saadaan pysymään koko ajan käyttökunnos- 25 sa, vältetään sivutuulen aiheuttamia kuormia, pidetään ·*· vaihteisto lämpimänä ja voitelu päällä sekä ylläpide- je:*: tään kaikki ohjaustietokoneen valvontafunktiot. Voima- ;'**·. lassa ei tarvita erillisiä varavoimakoneita tai suuria ·«· akustoja ja tarvittava kytkentävirtalähde on siihen : 30 verrattuna halpa ja luotettava.

· » ,···) Edellä keksintöä on selostettu kuvaamalla sen * · eri vaihtoehtoja rajaamatta sitä pelkästään niihin, vaan keksinnön eri sovellukset ovat mahdollisia oheis-ten patenttivaatimusten puitteissa.

35 ♦ * #· » • · · · • * • ·

Claims

117351

1. Menetelmä tuulivoimalan ohjauksessa poikkeustilanteessa, kuten häiriötilanteessa tai tuulen nopeuden ylittäessä normaalin tuotantokäyttöön määri- 5 tellyn maksiminopeuden, johon tuulivoimalaan kuuluu vaaka-akselinen ja ainakin kaksilapainen roottori, joka on yhdistetty generaattoriin, jotka yhdessä ovat käännettävissä pystyakselin ympäri roottorin pyörimis-tason pitämiseksi olennaisesti kohtisuorassa tuulen 10 suuntaan nähden, tunnettu siitä, että roottorin lapojen lapakulmat säädetään minimikäyttökulmaan lähelle 90° myrskyäsentoa roottorin ja sen mukana generaattorin pyörittämiseksi tuottamaan riittävä teho roottorin kääntämiseksi ja pitämiseksi tuulen suunnas-15 sa mainitun poikkeustilanteen keston ajan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lapakulmat lukitaan tiettyyn kulmaan tuulen mainitun maksiminopeuden ylittymisen ajaksi tai muun häiriön ajaksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että minimi käyt tökulmana pidetään :Y: 80 - 88, edullisesti 82 - 87, esimerkiksi noin 85°.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukai- *** nen menetelmä, tunnettu siitä, että lapojen lu- ,···. 25 kittava minimi käyt tökulma valitaan sääennusteessa an- * * .**! nettavan tulevan myrskyn tuulennopeu sarvi on mukaan.

··*.· 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukai- • i *···* nen menetelmä, tunnettu siitä, että lapojen mini mi käyt tökul maa säädetään olennaisen portaattomasti tie- • · : 30 tyn alhaisen vakio pyörimisnopeuden ylläpitämiseksi.

• · · *...· 6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukai- nen menetelmä, tunnettu siitä, että roottorin • « pyörimisnopeudeksi valitaan 0,5 - 2, edullisesti noin * * . 1 rpm.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukai- ; nen menetelmä, tunnettu siitä, että generaatto- 117351 rista otettavaksi tehoksi valitaan 1-5, edullisesti 2 - 4 kW.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poikkeusti-5 lanteessa tuulesta otettavaa pientä tehoa käytetään myös voimalaitoksen muussa valvonnassa, vaihdelaatikon voitelussa ja/tai lämmityksen toteuttamisessa. 10 • » ♦ · f ♦ · · • » ··« • · * * · • ♦ ·«· : *·· * : : ··· • * * •t* · ··· : : ♦ * ! • *· : : 4 * * « * * • · · m : V 7 117351