НАГРЕВАЕМАЯ ЛОПАСТЬ РОТОРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2017 года по МПК F03D80/00 F03D80/40 F03D1/00 

Изобретение относится к нагреваемой лопасти ротора ветроэнергетической установки. Кроме того, изобретение относится к способу нагревания лопасти ротора ветроэнергетической установки, а также к ветроэнергетической установке. Дополнительно к этому, данное изобретение относится к устройству защиты от перенапряжений, подлежащему установке внутри лопасти ротора, и изобретение относится к нагревательному устройству для нагревания лопасти ротора. Кроме того, изобретение относится к способу выполнения нагревательного устройства.

При температурах ниже 0°С или немного выше может происходить обледенение лопастей ротора ветроэнергетических установок. Согласно уровню техники, эта проблема устраняется с помощью систем нагревания лопастей ротора. Способ устранения обледенения лопасти ротора ветроэнергетической установки известен из ЕР 0842360. В основу этого способа положена задача нахождения способа для предотвращения недостатков, вызванных обледенением лопастей ротора, который является наиболее простым с точки зрения конструкции и поэтому экономичным, и при этом также эффективным. В соответствии с указанным документом, эта задача решена посредством того что предварительно подогретый теплоноситель, который протекает через полость, расположенную вдоль передней кромки лопасти, и отдает тепло в зоны стенки лопасти, соответственно, направляют через полость, расположенную вдоль задней кромки лопасти, и отводят из указанной полости. После подачи теплого воздуха в хвостовик лопасти он охлаждается вдоль продольной оси лопасти (радиуса лопасти). Это имеет тот недостаток, что действие устранения обледенения значительно уменьшается в месте, где происходит максимальное обледенение, то есть на законцовке лопасти.

Поэтому задачей данного изобретения является решение по меньшей мере одной из указанных выше проблем. Задача состоит, в частности, в предложении решения, которое может обеспечивать как можно более целенаправленно характеристику нагревания, которая согласована с соответствующим положением вдоль оси лопасти ротора. Должно быть предложено по меньшей мере одно альтернативное решение.

Согласно изобретению, предлагается лопасть ротора в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. В пункте 1 формулы изобретения раскрывается нагревательное устройство, которое расположено в зоне поверхности лопасти ротора для нагревания лопасти ротора. Расположение в зоне поверхности лопасти ротора означает, в частности, что это нагревательное устройство расположено в наружной оболочке лопасти ротора. Для этого нагревательное устройство может быть интегрировано в наружную оболочку; в частности, в случае выполнения наружной оболочки из армированного волокном пластика, оно может быть ламинировано в этот материал. Кроме того, оно может быть также установлено непосредственно внутри наружной оболочки, например приклеено к ней с покрытием широкой зоны.

Нагревательное устройство содержит нагревательные провода, и нагревательные провода имеют синусоидальную, волнообразную или зигзагообразную форму прохождения. Другими словами их выполнение с языковой точки зрения может быть лучше всего описано на основе синусоиды, что будет частично пояснено ниже. Однако эффекты, описание которых приводится и которые используются в данном контексте, не ограничиваются синусоидой в строгом математическом понимании. Решающее значение имеет то, что нагревательные провода не расположены строго по прямой линии или, соответственно, являются прямыми, а отклоняются от такого линейного выполнения, в частности по прямой линии, за счет синусоидальной, волнообразной или зигзагообразной формы выполнения. За счет такой формы выполнения, каждый нагревательный провод выполнен в виде полосы и поэтому в виде зоны, вместо расположения вдоль одной линии. Эта полоса или, соответственно, эта зона расположена параллельно поверхности лопасти ротора в соответствующей зоне. Относительно синусной волны это означает, что она колеблется параллельно поверхности лопасти.

Синусоидальная функция имеет амплитуду и длину периода. В дополнение к фазовому положению, которое имеет меньшее значение в данном контексте, эти величины характеризуют синусоиду. Аналогичным образом, амплитуда характеризует высоту волны в случае волнообразного прохождения, и амплитуда характеризует высоту зигзага в случае зигзагообразного прохождения. Длина периода описывает расстояние от одного пикового значения до следующего пикового значения, или расстояние от одного прохождения через ноль до следующего прохождения через ноль. В соответствии с этим, длина волны описывает также расстояние между двумя вершинами волны в случае волнообразной формы, или, соответственно, расстояние между двумя соседними пиками в случае зигзагообразной формы. В данном документе понятие длина волны используется для синусоидальной формы, волнообразной формы, а также зигзагообразной формы с целью обобщения и унификации.

Предлагается, что амплитуда и/или длина волны изменяются вдоль нагревательных проводов, с целью обеспечения постепенного регулирования удельных характеристик поверхностного нагревания каждой секции нагревательного устройства.

Это предложение основано, в частности, на идее, что за счет изменения амплитуды и/или длины волны, при сохранении постоянным расстояния между начальной точкой и конечной точкой соответствующего нагревательного провода, длина нагревательного провода, которая эффективна для нагревания, тем не менее увеличивается, и тем самым увеличивается характеристика нагревания этой дистанции между начальной и конечной точками.

Нагревательные провода являются электрически проводящими и снабжаются для нагревания соответствующим электрическим нагревательным током. В соответствии с правилом Кирхгоффа для узловой точки, нагревательный ток является одинаковым вдоль каждого нагревательного провода и поэтому приводит к одинаковой характеристике нагревания во всех частях нагревательного провода, которые имеют одинаковую длину. За счет уменьшения длины волны, несколько частей нагревательного провода, которые имеют одинаковую длину, могут быть расположены в одинаковой зоне, что приводит к увеличению характеристики нагревания этой зоны. Таким образом, за счет этого увеличивается удельная характеристика нагревания зоны. В принципе, такое увеличение может быть также достигнуто за счет увеличения амплитуды, что, однако, относительно отдельного нагревательного провода, приводило бы к расширению зоны, через которую должен проходить соответствующий нагревательный провод. Когда используется несколько нагревательных проводов, расположенных параллельно и в основном в одной фазе, увеличение амплитуды может быть достигнуто лишь с небольшим расширением нагревательной полосы, в которой расположены эти нагревательные провода.

Предпочтительно, амплитуда и длина волны, соответственно, проходят параллельно поверхности лопасти ротора. Таким образом, нагревательные провода образуют систему с широкой зоной, и эта система с широкой зоной проходит параллельно поверхности лопасти ротора и расположена вблизи нее, где она может нагревать поверхность лопасти ротора целенаправленным образом. Следует учитывать, что нагревание служит для предотвращения или удаления обледенения. Таким образом, действие нагревания требуется на поверхности лопасти ротора.

Предпочтительно, нагревательные провода проходят в продольном направлении лопасти ротора. Таким образом, нагревательные провода могут быть размещены, прежде всего, в направлении от хвостовика лопасти к законцовке лопасти, и могут перекрывать, соответственно, длинные зоны лопасти ротора. За счет расположения в направлении продольной оси лопасти ротора, изменение удельной характеристики поверхностного нагревания в продольном направлении лопасти ротора может быть достигнуто, в частности, посредством изменения длины волны. Таким образом, за счет предлагаемого изменения удельной характеристики поверхностного нагревания в продольном направлении лопасти ротора, учитывается то, что особенно сильное обледенение ожидается в зоне законцовки лопасти ротора. Таким образом, удельная характеристика нагревания может быть просто согласована по месту, то есть относительно положения вдоль лопасти ротора.

Предлагается также, что нагревательные провода предпочтительно имеют постоянную длину волны и/или меньшую амплитуду в направлении законцовки лопасти ротора.

Удельная характеристика поверхностного нагревания предпочтительно устанавливается посредством выбора соответствующего расстояния между соседними нагревательными проводами, выбора длины волны нагревательных проводов и выбора амплитуды нагревательных проводов.

Предпочтительно также, что уменьшение амплитуды может быть компенсировано посредством уменьшения длины волны. Если, например, за счет уменьшенного доступного пространства, требуется увеличение амплитуды, то это может приводить к уменьшению удельной характеристики поверхностного нагревания, которая в свою очередь может быть увеличена посредством уменьшения длины волны с целью компенсации.

Согласно одному варианту выполнения, предлагается, что нагревательные провода интегрированы в лопасть ротора в виде углеродных волокон и/или жгутов углеродных волокон. Такое выполнение предлагается, в частности, когда лопасть ротора, по меньшей мере в зоне ее наружной оболочки, выполнена из армированного волокном пластика, в частности армированного углеродным волокном пластика. В этом случае углеродные волокна или жгутики углеродных волокон предназначены для использования в таком материале или, соответственно, в такой структуре. Поэтому выполнение наружной оболочки ограничено известными материалами.

Однако следует учитывать, что нагревательные провода практически не вносят никакого вклада в стабильность лопасти ротора, поскольку они не расположены по прямой линии. Поэтому стабильность и тем самым конструкция для обеспечения стабильности лопасти ротора не зависит от этих нагревательных проводов. Это упрощает выполнение.

Таким образом, нагревательные провода, выполненные из углеродного волокна или жгутов углеродного волокна, могут быть расположены простым образом и они образуют материал, который весьма пригоден для выполнения функции электрического нагревательного резистора, поскольку они имеют электрическую проводимость, которая, однако, сравнительно небольшая, по меньшей мере по сравнению с обычными металлическими проводниками.

Согласно одному варианту выполнения предлагается, что нагревательные провода разделены на нагревательные группы из нескольких нагревательных проводов, соединенных параллельно, и что несколько нагревательных групп соединены друг с другом последовательно. В соответствии с этим, несколько, в большинстве случаев даже большое количество нагревательных проводов в группе расположены параллельно друг другу и соединены электрически параллельно друг другу, а также соединены электрически в общем начальном узле и общем конечном узле. Предпочтительно, нагревательные провода нагревательной группы также параллельны друг другу с учетом их синусоидальной, волнообразной или зигзагообразной формы, в частности в фазе.

Несколько этих нагревательных групп электрически соединены последовательно, а также расположены в ряд, в частности, вдоль продольной оси лопасти ротора. За счет этого последовательного соединения одинаковый ток проходит через каждую нагревательную группу. Если каждая нагревательная группа содержит также одинаковое количество нагревательных проводов, которые имеют одинаковые электрические параметры внутри нагревательной группы, то одинаковый ток проходит также через каждый нагревательный провод. За счет изменения или, соответственно, различного выбора длины волны нагревательных проводов для различных нагревательных групп, можно использовать различную удельную характеристику поверхностного нагревания для каждой из этих нагревательных групп. Несмотря на это, или в качестве альтернативного решения, удельная характеристика поверхностного нагревания может изменяться внутри нагревательной группы.

В действительности, это изменение амплитуды и/или длины волны вдоль продольной оси лопасти ротора обеспечивает возможность непрерывной или, соответственно, плавной установки соответствующей желаемой удельной характеристики поверхностного нагревания. Это можно осуществлять независимо от специального соединения в нагревательные группы, и возможно лишь посредством изменения длины волны и/или амплитуды.

Предпочтительно, нагревательное устройство полностью или, соответственно, по группам расположено в окружном направлении вокруг лопасти ротора, а именно, вокруг оси лопасти ротора. Таким образом, согласно этому варианту выполнения, предотвращается разделение нагревательного устройства и/или нагревательных групп в окружном направлении. При таком выполнении нагревательное устройство предпочтительно также интегрировано в оболочку лопасти, в частности ламинировано в нее.

Однако, согласно одному варианту выполнения, могут быть также предусмотрены различные амплитуды и/или различные длины волн для различных нагревательных групп, например, с целью упрощения структуры. Если установлен нагревательный ток, то соотнесение специальной длины волны и специальной амплитуды со специальной нагревательной группой обеспечивает возможность соотнесения соответствующей удельной характеристики поверхностного нагревания с нагревательной группы.

В другом варианте выполнения предлагается, что лопасть ротора содержит электрическую молниезащитную систему для отклонения удара молнии. Для этого предусмотрено соединение нагревательного устройства с молниезащитной системой через искровые разрядники или другие устройства защиты от повышения напряжения или, соответственно, устройства защиты от перенапряжений так, что обеспечивается гальваническая развязка, пока молния не ударит в лопасть ротора, так что через устройства защиты от перенапряжений или, соответственно, искровые разрядники проходит электрический ток, если за счет удара молнии в лопасть ротора в нагревательном устройстве индуцируется электрический ток. Таким образом, нагревательное устройство соединено с молниезащитной системой, однако при нормальном режиме работы изолировано от нее. Поэтому соединение с молниезащитной системой не оказывает влияние на нормальный режим работы нагревательного устройства.

Такое устройство защиты от перенапряжений может быть выполнено в виде имеющего соответствующие размеры диода или варистора или, соответственно, содержать такие элементы. Частично в зависимости от направления тока такие элементы являются проводящими, лишь когда превышается определенное напряжение, и перед этим имеют очень большое электрическое сопротивление, что в данном случае обозначается гальванически не проводящим. Устройство защиты от перенапряжений отводит высокое напряжение и поэтому является защитой от повышения напряжения, и понятие защиты от повышения напряжения используется в данной заявке в качестве синонима для устройства защиты от перенапряжений. Возможным вариантом выполнения устройства защиты от перенапряжений является искровой разрядник, описание которого будет приведено в данном контексте в качестве устройства, представляющего различные устройства защиты от перенапряжений (также не упомянутые).

Если молния ударяет в лопасть ротора, то с помощью этих искровых разрядников в случае необходимости может выполняться эквипотенциальное соединение. Такое эквипотенциальное соединение необходимо, в частности, когда молния ударяет в лопасть ротора, что приводит к большому току в молниезащитной системе и тем самым индуцирует напряжение в нагревательном устройстве, в частности в нагревательных проводах. Для защиты нагревательного устройства это напряжение должно быть отведено, соответственно, компенсировано, для чего требуются искровые разрядники или, соответственно, другие системы защиты от повышения напряжения.

Согласно одному варианту выполнения предлагается, что устройство защиты от перенапряжений, в частности искровой разрядник, для соединения нагревательного устройства с молниезащитной системой, расположено в начале и в конце нагревательного устройства и между каждой нагревательной группой, соответственно. За счет этого исключается высокое напряжение по всей длине нагревательного устройства, которое индуцируется в случае удара молнии, поскольку за счет искровых разрядников уже достигается эквипотенциальное соединение в промежуточных зонах, а именно между нагревательными группами. Максимальное напряжение, возникающее при этом, ограничивается для каждой нагревательной группы одинаковым напряжением, которое индуцировалось бы именно в соответствующей нагревательной группе перед электрическим пробоем в искровом разряднике.

Предпочтительно, лопасть ротора содержит хвостовик лопасти и законцовку лопасти, и нагревательное устройство разделено на две секции, которые соединены последовательно. Первая из этих секций проходит от хвостовика лопасти к законцовке лопасти, а вторая секция проходит обратно от законцовки лопасти к хвостовику лопасти. Эти две секции могут быть просто соединены с источником питания в зоне хвостовика лопасти для обеспечения нагревательного тока в этой зоне. То есть, проще говоря, нагревательный ток проходит через первую секцию к законцовке лопасти и через вторую секцию обратно от законцовки лопасти. В качестве альтернативного решения возможно также направление линии электропитания от хвостовика лопасти к законцовке лопасти, если нагревательное устройство разделено на указанные секции или аналогичные секции.

Дополнительно к этому, согласно изобретению, ветроэнергетическая установка содержит ротор по меньшей мере с одной лопастью ротора. Однако обычно предусмотрены три лопасти ротора. Эта ветроэнергетическая установка характеризуется тем, что лопасти ротора имеют нагревательное устройство, выполненное в соответствии по меньшей мере с одним указанным выше вариантом выполнения. Таким образом, ветроэнергетическая установка может использоваться эффективным образом даже в условиях образования обледенения.

Дополнительно к этому, согласно изобретению, предлагается такое устройство защиты от перенапряжений, в частности искровой разрядник, который предназначен для создания соединения между электрической молниезащитной системой лопасти ротора и нагревательным устройством для нагревания лопасти ротора. Устройство защиты от перенапряжений или, соответственно, искровой разрядник предназначен для создания соединения так, что обеспечивается гальваническая развязка, пока в лопасть ротора не ударит молния, и что устройство для защиты от перенапряжений или, соответственно, искровой разрядник пропускает электрический ток, то есть достигается электрический искровой пробой, если за счет удара молнии в лопасть ротора, а именно, в частности, в молниезащитную систему, в нагревательном устройстве индуцируется электрический ток. Таким образом, во время нормального режима работы искровой разрядник предотвращает гальваническое соединение. Для случая удара молнии, устройство защиты от перенапряжений или, соответственно, искровой разрядник имеет такие размеры, что возникающее в таком случае напряжение может приводить к искровому пробою. Таким образом, устройство защиты от перенапряжений или, соответственно, искровой разрядник выполнен так, что во время нормального режима нагрева, когда нагревательное устройство снабжается электрической энергией для нагревания, не происходит искрового пробоя в искровом разряднике. Однако в то же время искровой разрядник или другое устройство защиты от перенапряжений должно быть выполнено так и, в частности, должно иметь такой небольшой зазор, что в случае напряжения, индуцированного при ударе молнии, может происходить искровой пробой, прежде чем напряжение достигнет уровня, который может быть разрушительным для нагревательного устройства.

Предпочтительно, устройство защиты от перенапряжений выполнено герметизированным, в частности в виде модуля, так что в случае удара молнии и вызванного им искрового пробоя в устройстве защиты от перенапряжений предотвращается опасность возгорания или взрыва для элементов, окружающих устройство защиты от перенапряжений, и устройство защиты от перенапряжений может быть извлечено из лопасти (1) ротора и/или установлено в лопасть (1) ротора снаружи. В случае удара молнии в устройстве защиты от перенапряжений кратковременно возникают высокие напряжения и/или высокая мощность, воздействие которых на окружающие элементы, в частности на оболочку лопасти ротора или другие элементы лопасти ротора, может быть разрушительным, а за счет предлагаемой герметизации оно предотвращается или по меньшей мере ограничивается. Таким образом, могут, например, предотвращаться взрывы в лопасти ротора, которые иначе могут происходить за счет такого пробоя под действием напряжения.

Согласно одному варианту выполнения, устройство защиты от перенапряжений выполнено в виде искрового разрядника, содержащего приемник и искровой штифт. Приемник соединен с молниезащитной системой и создает гальваническое соединение с ней. Таким образом, молния может ударять в приемник, а затем достигать через него молниезащитную систему. Искровой штифт соединен с нагревательным устройством и заземлен изолированно относительно приемника. Искровой зазор между приемником и искровым штифтом задан и выбран так, что он определяет напряжение искрового пробоя, а именно напряжение, при котором происходит искровой пробой между искровым штифтом и приемником. Таким образом, это напряжение искрового пробоя может быть задано расстоянием между искровым штифтом и приемником, то есть искровым зазором. Предпочтительно, искровой зазор является регулируемым. Таким образом, с одной стороны, можно выполнять регулирование во время установки и, с другой стороны, регулирование можно также выполнять, если расстояние необходимо изменять, например, за счет отложений. Такое расстояние между искровым штифтом и приемником можно задавать также другим способом и не обязательно также использовать искровой штифт, а можно выбирать также другую форму, например шаровую поверхность.

Предпочтительно, приемник постоянно соединен с искровым штифтом или по меньшей мере с одним изолятором. Таким образом, искровой разрядник и приемник могут образовывать неподвижный блок вместе с изолятором и, в случае необходимости, с другими элементами. Предпочтительно, они выполнены в виде модуля, так что их, то есть этот модуль, можно извлекать из лопасти ротора или интегрировать в лопасть ротора снаружи. В частности, в случае удара молнии и вызванного им искрового пробоя между искровым штифтом и приемником, это может оказывать воздействие на напряжение искрового пробоя. При необходимости можно устанавливать расстояние между приемником и искровым штифтом, выполнять очистку и/или ремонтировать этот искровой разрядник. Для этой цели такой модуль может быть извлечен для ремонта или для замены другим модулем.

Согласно изобретению, предлагается способ выполнения нагревательного устройства, при этом

нагревательное устройство имеет электрически проводящие нагревательные провода, и

нагревательные провода проходят синусоидально, волнообразно и/или зигзагообразно, с

амплитудой, задающей амплитуду синусоиды, высоту волны или, соответственно, высоту зигзагов, и

длиной волны, задающей расстояние между двумя вершинами волны, или, соответственно, расстояние между двумя соседними пиками, при этом

амплитуда и/или длина волны изменяется вдоль нагревательных проводов, с целью обеспечения возможности регулирования удельной характеристики поверхностного нагревания нагревательного устройства для каждой секции, при этом

нагревательное устройство разделено на несколько нагревательных секций, и для каждой секции выбирают амплитуду, длину волны и расстояние между нагревательными проводами так, что с помощью заданного нагревательного тока достигается удельная характеристика поверхностного нагревания, предназначенная для соответствующей нагревательной секции.

Таким образом, выполнение нагревательного устройства для лопасти ротора осуществляется так, что амплитуда и длина волны, а также расстояние между соседними нагревательными проводами систематически используются для установки желаемой или заданной удельной характеристики поверхностного нагревания. Таким образом, с помощью этих трех параметров можно учитывать другие факторы влияния, такие как соответствующий размер установки, который можно использовать для размещения нагревательных проводов, которые расположены более тесным образом, то есть с меньшим расстоянием между ними.

Дополнительно к этому, согласно изобретению предлагается нагревательное устройство, которое предназначено для нагревания лопасти ротора ветроэнергетической установки и выполнено, как указано в описании по меньшей мере одного варианта выполнения лопасти ротора.

Дополнительно к этому, согласно изобретению предлагается способ нагревания лопасти ротора. Предпочтительно, в этом способе используется такое нагревательное устройство и применяется для лопасти ротора в соответствии по меньшей мере с одним из указанных выше вариантов выполнения. Для этого нагревательное устройство снабжается электрическим током для нагревания нагревательного устройства и тем самым по меньшей мере одной части лопасти ротора в зоне, в которой расположено нагревательное устройство. Это снабжение током происходит в случае предполагаемого или ожидаемого обледенения. Обледенения следует ожидать, в частности, при соответствующих погодных условиях, а именно при температурах около точки замерзания и соответствующей влажности, а также в соответствующем диапазоне скорости ветра. Дополнительно к этому или вместо этого, можно также обнаруживать существующее обледенение, например, визуально или на основании поведения ветроэнергетической установки, приводимые здесь лишь в качестве некоторых примеров.

Кроме того, происходит разряд индуцированного напряжения в случае удара молнии. Если, в случае удара молнии в молниезащитную систему лопасти ротора, в нагревательном устройстве индуцируется напряжение вследствие удара молнии, то оно разряжается по меньшей мере через один искровой разрядник в направлении молниезащитной системы и/или непосредственно в направлении заземленного провода. Кроме того, предлагаемый способ реализуется, как указывалось выше в контексте по меньшей мере одного варианта выполнения лопасти ротора.

Ниже приводится более детальное описание изобретения на основе приведенных в качестве примера вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - лопасть ротора, согласно одному варианту выполнения изобретения;

фиг. 2 - вариант выполнения искрового разрядника,

фиг. 3а - секция лопасти ротора, согласно одному варианту выполнения изобретения, в изометрической проекции;

фиг. 3b - разрез лопасти ротора, согласно одному варианту выполнения;

фиг. 4а - нагревательное устройство и тем самым нагревательная система из углеродного волокна, согласно одному варианту выполнения изобретения;

фиг. 4b - нагревательное устройство, разделенное на первую и вторую секцию;

фиг. 4с - нагревательное устройство, согласно фиг. 4b, в котором с целью иллюстрации отдельные нагревательные группы представлены в виде отдельных элементов;

фиг. 5 - ветроэнергетическая установка, в изометрической проекции.

На фиг. 1 схематично показана лопасть 1 ротора, согласно изобретению, в которую вдоль ее продольной оси заделаны жгуты 2 углеродного волокна. Они интегрированы в виде синусной волны с колебанием параллельно поверхности лопасти. Амплитуда синусоиды уменьшается от хвостовика 3 лопасти к законцовке 4 лопасти. Поскольку периметр лопасти уменьшается в направлении законцовки лопасти, то у законцовки лопасти жгуты ближе друг к другу, чем у хвостовика лопасти. Таким образом, ввод энергии увеличивается относительно поверхности лопасти. Это является преимуществом, поскольку в режиме эксплуатации законцовка лопасти движется с более высокой скоростью, чем хвостовик лопасти, и поэтому более склонна к обледенению. Электрический контур замкнут с помощью провода 5, который изображен лишь схематично на этой фигуре.

Таким образом, удельная характеристика поверхностного нагревания увеличивается за счет более тесного расположения нагревательных проводов, а именно жгутов 2 углеродного волокна. За счет выбора соответствующей длины волны можно тем не менее устанавливать желаемую удельную характеристику поверхностного нагревания.

Также показано, что в направлении движения лопасти ротора, то есть поперек продольного направления лопасти 1 ротора, на удельную характеристику поверхностного нагревания можно оказывать воздействие посредством изменения расстояния между нагревательными проводами 2. Таким образом, можно изменять удельную характеристику поверхностного нагревания в продольном направлении лопасти ротора, а именно посредством выбора длины волны и амплитуды, а также в поперечном направлении относительно продольной оси лопасти ротора, а именно в направлении движения, посредством выбора соответствующих расстояний между нагревательными проводами, в частности жгутами углеродного волокна.

Кроме того, на фиг. 1 показано разделение нагревательного устройства 33 на нагревательные группы 35, а именно шесть нагревательных групп 35 в показанном примере выполнения. Каждая нагревательная группа 35 имеет несколько нагревательных проводов 2, а именно жгутов 2 углеродного волокна, которые в каждой из нагревательных групп 35 соединены параллельно друг другу. Однако нагревательные группы 35 соединены последовательно друг с другом. Хвостовик 3 лопасти и законцовка 4 лопасти имеют каждый электрический узел, в котором нагревательные провода 2, соответственно, соединены электрически. Таким образом, хвостовик 3 лопасти и законцовка 4 лопасти образуют наружные концы нагревательного устройства 33, или, соответственно, начало и конец.

Поскольку жгуты 2 углеродного волокна являются проводящими, то они образуют потенциальную цель для ударов молнии. Поэтому целесообразно соединять их с молниезащитной системой 6 лопасти, которая также лишь схематично показана на данной фигуре. Обычно молниезащитная система 6 расположена внутри лопасти от металлического верха 7 законцовки лопасти к хвостовику 3 лопасти. Жгуты углеродного волокна соединены через провода 8 с молниезащитной системой 6 с регулярными интервалами вдоль продольной оси лопасти. Для исключения короткого замыкания электрического контура во время операции нагревания провода 8 снабжены искровым разрядником 9.

Однако в случае удара молнии должен предотвращаться удар молнии в жгуты 2 углеродного волокна, поскольку это может приводить к разрушению жгутов 2 углеродного волокна. Тем не менее удар молнии может приводить к большой мощности в молниезащитной системе 6 и поэтому индуцировать напряжение в жгутах 2 углеродного волокна и тем самым в любом случае также в отдельных нагревательных группах 35. Поэтому каждая нагревательная группа 35 соединена с молниезащитной системой 6 с помощью двух искровых разрядников 9. Таким образом, это напряжение, индуцируемое ударом молнии, разряжается для каждой нагревательной группы 35 через соответствующие искровые разрядники 9.

На фиг. 2 показан возможный вариант выполнения искрового разрядника. Жгут 2 углеродного волокна, который в данном случае представляет несколько жгутов 2 углеродного волокна, соединенных параллельно, гальванически соединен через провод 8.1 с штифтовым элементом 10, который содержит искровой штифт 30, который расположен на заданном расстоянии от противоположной зоны 32 приемника 12 молнии или, соответственно, с возможностью регулирования расстояния. Для этого предусмотрены регулировочный винт 40 и регулировочная гайка 42. Таким образом, искровой штифт 30 можно ввинчивать в основание 44 штифтового элемента 10 на желаемое расстояние, и это положение может быть фиксировано с помощью регулировочной гайки 42. Штифтовой элемент 10 удерживается на расстоянии от приемника 12 молнии с помощью электрических изоляторов 11. Металлический приемник 12 молнии проходит через поверхность лопасти 1 ротора и служит для притяжения и целенаправленного приема ударов молнии. Он соединен с заземленной молниезащитной системой 6.

Если молния ударяет в молниезащитную систему 6 и при этом генерирует напряжение в жгутах 2 углеродного волокна или, соответственно, по меньшей мере в одной нагревательной группе 35, то напряжение между штифтовым элементом 10 и приемником 12 молнии увеличивается настолько, что происходит искровой пробой между этими элементами. Во время нормального режима нагрева не происходит искрового пробоя. Таким образом, во время режима нагрева мощность, подаваемая в нагревательное устройство для нагрева, не отводится.

На фиг. 3а показаны приемники 12 молний на поверхности лопасти. Эти приемники молний можно использовать также без интегрирования в искровой разрядник 9, как показано на фиг. 3b для двух из четырех приемников 12 молний.

На фиг. 4а, 4b и 4с показаны варианты выполнения нагревательного устройства 33, которое можно называть также нагревательной системой 13 из углеродного волокна. Это нагревательное устройство 33 или, соответственно, нагревательная система 13 из углеродного волокна, подлежит интегрированию в армированную волокном пластмассовую структуру лопасти ротора, при этом на фиг. 4а, 4b и 4с нагревательное устройство 33 или, соответственно, нагревательная система 13 из углеродного волокна показана без лопасти ротора.

Предпочтительно, две полуоболочки, которые показаны на фиг. 4b в виде полуоболочек 14, используются для изготовления лопасти ротора и тем самым также нагревательной системы 13 из углеродного волокна или, соответственно, ее части. Относительно этих полуоболочек снова показаны лишь элементы нагревательного устройства. Эти полуоболочки 14 содержат соответствующие жгуты 2 из углеродного волокна. Во время изготовления лопасти они располагаются в соответствующих полуоболочках лопасти или, соответственно, в соответствующих литейные формах для изготовления полуоболочек и, в частности, пропитываются той же смолой для интегрирования в полуоболочку. В продольном направлении каждая из полуоболочек 14 разделена на элементы 15, которые образуют, соответственно, одну нагревательную группу. Это упрощает, среди прочего, изготовление. Кроме того, за счет этого может быть реализовано соединение, как показано на фиг. 1, с помощью проводов 8.1 и 8.2 и искрового разрядника 9.

Затем полуоболочки 14 могут быть скомпонованы и соединены друг с другом, как показано на фиг. 4а, или же они могут быть соединены электрически изолированным образом или, соответственно, последовательно, например, посредством создания соединения в зоне, которая должна быть расположена у законцовки 4 лопасти, и создания соединения для подачи напряжения в зону, которая расположена у хвостовика 3 лопасти.

На фиг. 5 показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. Ротор 106 с тремя лопастями 108 ротора и обтекателем 110 расположен на гондоле 104. Ротор 106 во время работы приводится во вращательное движение и приводит тем самым в действие генератор в гондоле 104.

Изобретение относится к лопасти (1) ротора ветроэнергетической установки (100). Лопасть (1) ротора ветроэнергетической установки (100) содержит нагревательное устройство (33) для нагревания лопасти (1) ротора, расположенное в лопасти (1) ротора в зоне поверхности лопасти ротора. Нагревательное устройство (33) имеет электрически проводящие нагревательные провода (2). Нагревательные провода (2) имеют синусоидальную, волнообразную или зигзагообразную форму прохождения, с амплитудой, задающей амплитуду синусоиды, высоту волны или, соответственно, высоту пиков, и длиной волны, задающей расстояние между двумя вершинами волны, или, соответственно, расстояние между двумя соседними пиками. Амплитуда и/или длина волны изменяется вдоль нагревательных проводов (2) для обеспечения регулирования удельной характеристики поверхностного нагревания каждой секции нагревательного устройства (33). Изобретение направлено на повышение удельной характеристики нагревания лопасти ротора, в частности законцовки лопасти ротора. 6 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Лопасть (1) ротора ветроэнергетической установки (100), содержащая:

нагревательное устройство (33) для нагревания лопасти (1) ротора, расположенное в лопасти (1) ротора в зоне поверхности лопасти ротора, при этом

нагревательное устройство (33) имеет электрически проводящие нагревательные провода (2), и

нагревательные провода (2) имеют синусоидальную, волнообразную или зигзагообразную форму прохождения, с

амплитудой, задающей амплитуду синусоиды, высоту волны или, соответственно, высоту пиков, и

длиной волны, задающей расстояние между двумя вершинами волны, или, соответственно, расстояние между двумя соседними пиками, при этом

амплитуда и/или длина волны изменяется вдоль нагревательных проводов (2) для обеспечения регулирования удельной характеристики поверхностного нагревания каждой секции нагревательного устройства (33).

2. Лопасть (1) ротора по п. 1, отличающаяся тем, что нагревательные провода (2) выполнены в виде полос, проходящих параллельно поверхности лопасти ротора.

3. Лопасть (1) ротора по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что нагревательные провода (2) проходят в продольном направлении лопасти (1) ротора.

4. Лопасть (1) ротора по п. 1, отличающаяся тем, что нагревательные провода (2) интегрированы в лопасть (1) ротора в виде углеродных волокон (2) и/или жгутов углеродного волокна.

5. Лопасть (1) ротора по п. 1, отличающаяся тем, что

нагревательные провода (2) разделены на нагревательные группы (35) из нескольких нагревательных проводов (2), соединенных параллельно, и

две или больше нагревательных групп (35) соединены друг с другом последовательно.

6. Лопасть (1) ротора по п. 5, отличающаяся тем, что в каждой нагревательной группе (35) нагревательные провода (2) имеют различные амплитуды и/или различные длины волны и/или различные расстояния между соседними нагревательными проводами.

7. Лопасть (1) ротора по п. 1, отличающаяся тем, что

лопасть (1) ротора содержит электрическую молниезащитную систему (6) для разряда удара молнии, и

нагревательное устройство (33) соединено с молниезащитной системой (6) через устройства защиты от перенапряжений, в частности искровых разрядников (9), так, что

существует гальваническая развязка, пока молния не ударяет в лопасть (1) ротора, и

соответствующее устройство защиты от перенапряжений или, соответственно, соответствующий искровой разрядник (9) пропускает или, соответственно, через него проходит электрический ток, если за счет удара молнии в лопасть (1) ротора индуцируется электрический ток в нагревательном устройстве (33).

8. Лопасть (1) ротора по п. 7, отличающаяся тем, что устройство защиты от перенапряжений или, соответственно, искровой разрядник (9) для соединения нагревательного устройства (33) с молниезащитной системой (6) расположен в начале и конце нагревательного устройства (33) и между каждой нагревательной группой, соответственно.

9. Лопасть (1) ротора по п. 1, отличающаяся тем, что лопасть (1) ротора содержит хвостовик (3) лопасти и законцовку (4) лопасти, и нагревательное устройство (33) проходит в первой секции от хвостовика (3) лопасти к законцовке (4) лопасти, и

проходит обратно от законцовки (4) лопасти к хвостовику (3) лопасти во второй секции, и

обе секции соединены электрически последовательно, и в зоне хвостовика (3) лопасти соединены с источником энергии для подачи электрической энергии для нагревания нагревательного устройства (33).

10. Ветроэнергетическая установка (100), содержащая ротор по меньшей мере с одной, в частности тремя, лопастями (1) ротора, по любому из пп. 1-9.

11. Устройство защиты от перенапряжений, в частности искровой разрядник (9), для создания соединения между

электрической молниезащитной системой (6) лопасти (1) ротора и

нагревательным устройством (33) для нагревания лопасти (1) ротора, при этом

устройство для защиты от перенапряжений или, соответственно, искровой разрядник (9) подготовлены для создания соединения так, что

существует гальваническая развязка, пока молния не ударяет в лопасть (1) ротора, и

устройство для защиты от перенапряжений или, соответственно, искровой разрядник (9) пропускает или, соответственно, через него проходит электрический ток, если за счет удара молнии в лопасть (1) ротора электрический ток индуцируется в нагревательном устройстве (33).

12. Устройство (9) защиты от перенапряжений по п. 11, отличающееся тем, что устройство (9) защиты от перенапряжений выполнено герметизированным, в частности в виде модуля, так что в случае удара молнии и вызванного этим пробоя напряжением в устройстве для защиты от перенапряжений, предотвращается опасность возгорания или взрыва элементов, окружающих устройство защиты от перенапряжений, и устройство защиты от перенапряжений выполнено с возможностью извлечения из лопасти (1) ротора и/или установки в лопасть (1) ротора снаружи.

13. Устройство защиты от перенапряжений по любому из пп. 11 или 12, выполненное в виде искрового разрядника (9), содержащее

приемник (12) для создания гальванического соединения с молниезащитной системой (6) и

искровой штифт (30) для создания гальванического соединения с нагревательным устройством (33), при этом

искровой зазор между приемником (12) и искровым штифтом (30) определяет напряжение искрового пробоя, при котором происходит искровой пробой между искровым штифтом (30) и приемником, при этом искровой зазор можно регулировать.

14. Способ выполнения нагревательного устройства, при этом

нагревательное устройство (33) имеет электрически проводящие нагревательные провода (2), и

нагревательные провода (2) проходят синусоидально, волнообразно и/или зигзагообразно, с

амплитудой, задающей амплитуду синусоиды, высоту волны или, соответственно, высоту пиков, и

длиной волны, задающей длину периода, длину волны или, соответственно, расстояние между пиками, при этом

амплитуду и/или длину волны изменяют вдоль нагревательных проводов (2) для обеспечения возможности регулирования удельной характеристики поверхностного нагревания каждой секции нагревательного устройства (33), разделенного соответственно на несколько нагревательных секций, причем для каждой секции нагревательного устройства (33) выбирают амплитуду, длину волны и расстояние между нагревательными проводами так, что с помощью заданного нагревательного тока достигается удельная характеристика поверхностного нагревания, предназначенная для соответствующей нагревательной секции нагревательного устройства (33).

15. Нагревательное устройство (33) для нагревания лопасти (1) ротора ветроэнергетической установки (100), при этом нагревательное устройство выполнено с помощью способа по п. 14 и содержит, в частности, признаки, указанные в любом из пп. 1-9.

16. Способ нагревания лопасти (1) ротора, в частности по любому из пп. 1-9, при этом нагревательное устройство (33) лопасти (1) ротора, в частности нагревательное устройство (33) по п. 15, снабжают энергией для нагревания себя и тем самым по меньшей мере одной части лопасти (1) ротора, если предполагается или ожидается обледенение лопасти (1) ротора, при этом в случае удара молнии в молниезащитную систему (6) лопасти (1) ротора, напряжение, индуцированное этим ударом молнии в нагревательном устройстве (33), разряжается посредством по меньшей мере одного устройства защиты от перенапряжений, в частности искрового разрядника (9), в направлении молниезащитной системы (6) и/или в направлении заземленного провода.