СПОСОБ И СРЕДСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ОБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ЛЬДА ИЛИ УДАЛЕНИЯ СНЕГА/ЛЬДА С ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF POWER SUPPLIED TO EQUIPMENT TO PREVENT ICE FORMATION OR SNOW/ICE REMOVAL FROM STRUCTURAL MEMBER

Область техники, к которой относится изобретение.
Данное изобретение относится к способу и средству для управления подачей электрической энергии для предотвращения образования льда или удаления снега/льда с поверхности элемента конструкции. В действительности основное применение данного изобретения предназначено для удаления или предотвращения образования слоя льда или снега на лопасти воздушной турбины, хотя данное изобретение также найдет применение для лопастей двигателей самолетов, роторов вертолетов и, в частности, находящихся в движении, но и также неподвижных наружных деталей конструкций, расположенных на открытых местах, например нефтяные вышки в северных регионах.
Уровень техники
Сегодня имеется большая всеобщая потребность в источнике энергии, который не представляет опасности для окружающей среды. В связи с этим исследование источника энергии, связанного с ветром, представляет очень интересное решение. Это может вызвать повсеместное увеличение использования ветряной энергии как источника энергии, безопасного для окружающей среды.
Большая часть доступных источников ветряной энергии расположена в областях, в которых климатические условия представляют проблему для работы ветряных турбин по причине образования слоев снега или льда на важных деталях турбин. Эта проблема требует отключения турбин, увеличивая стоимость и уменьшая доход, связанный с установкой, это ухудшает привлекательность вложения инвестиций в производство ветровой энергии. Поэтому значительный энергетический потенциал может остаться неиспользованным.
Сегодня существуют некоторые способы для решения проблемы образования слоев льда и снега на ветряных турбинах. Тем не менее, эти способы достаточно дорогостоящи, так же как и технически сложны, что увеличивает стоимость конструкции и ее установку.
Патент США № 6612810 описывает ветряную турбину, в которой тонкая металлическая фольга расположена на винтах турбины. Электрический ток может быть пропущен через металлическую фольгу, которая под его воздействием действует как нагревательный элемент и в состоянии растопить любой снег или лед, присутствующий на лопасти. Металлическая фольга может быть ламинирована на поверхность лопасти или может быть зафиксирована на лопасти, например, при помощи клея. Этот патент также рассматривает регулирование обогрева, используя реле, соединенное с датчиком холода, расположенным на поверхности лопасти. Следовательно, датчик управляет только включением-выключением, то есть не имеет способности регулировки подачи тока на металлическую фольгу от источника энергии. Это очень простой способ управления, который, как оказалось, не соответствует своему назначению по причине высокого потребления энергии. Кроме того, вода растопившегося льда течет на неотапливаемые поверхности и замерзает вновь.
Европейский патент EP-0-983437-B1 также описывает обогрев лопастей воздушных турбин. В этом патенте производство включает проводящие электричество волокна, размещенные на внутренней или внешней поверхностях лопасти, которые используются как нагревательные элементы для удаления снега или льда. Ток, подаваемый на нагревательные элементы, может быть управляем при помощи контроллера температуры/энергии, измеряющего и отслеживающего множество параметров, таких как погодные условия в непосредственной близости от турбины и температура поверхности лопасти. Также контроллер может управлять распределением тока на разных нагревательных элементах в соответствии с заранее установленной методикой для удаления льда с деталей лопастей в целях избежания разбалансировки когда, например, льдины падают с лопастей. Модель управления используется, чтобы задействовать, между прочим, обратную связь для изменения функций управления, основанную на внешних условиях работы. Таким образом, тем не менее, это касается функций управления распределением тока на разные участки лопастей.
Патент США № 5344696 описывает систему обогрева для лопастей самолетов, включая слои проводимого электричество материала, которым ламинированы лопасти. В этой системе ток, подаваемый на нагревающий прибор, имеет частоту в диапазоне 50-400 Гц. Система также использует систему управления, основанную на датчиках температуры в лопасти и на ее поверхности, которые соединены с микропроцессорным контроллером. Напряжение может регулироваться, основываясь на измерениях температуры. Это достаточно простая система управления, которая не в состоянии учитывать полученные практически данные.
Наконец, ближайшая заявка на патент Норвегии № 20042395 описывает систему обогрева для лопастей турбины, которая использует высокочастотный электрический ток, подаваемый на металлическую фольгу поверхностей лопасти. В данной заявке адаптивный автоматический контроллер используется для сбора данных от датчиков, которые измеряют климатические условия, такие как температура воздуха, скорость ветра и выпадение осадков. Дополнительно собираются данные, относящиеся к температуре поверхности лопасти в областях лопасти, в которых они подвергаются воздействию снега и льда, так же как и данные с датчиков скорости вращения и вибрации. Контроллер определяет силу тока и частоту, основываясь на данных от датчиков, так же как и на сохраненных данных предшествующих измерений, относящихся к условиям заснеженности и обледенения турбины, для управления трансформатором частоты для достижения оптимальной подачи энергии на металлическую фольгу, расположенную на лопастях.
Предшествующая публикация принимается во внимание настоящего уровня техники. Тем не менее, заявитель хочет заметить, что технология может быть улучшена путем устранения недостатков технологии управления, так как в действительности по-прежнему имеется слишком большое потребление энергии для устранения льда.
Сущность изобретения
Способ управления, в котором настоящее изобретение относится к решению вышеизложенной проблемы, как способ, который обеспечивает высокий уровень производительности энергии. Тем не менее, способ достаточно прост в использовании с технической точки зрения и представляет доступное решение с экономической точки зрения. Способ также прост и недорог для использования в работе ветровой турбины.
Согласно изобретению способ обеспечивается управлением подачи электрической энергии при помощи высокочастотного переменного тока от оборудования для снабжения энергией нагревательного оборудования, для предотвращения образования льда или удаления льда или снега с элементов конструкции, в котором управление осуществляется с использованием контроллера, который руководствуется входными данными, представляющими собой значения физических параметров, измеренных датчиками, расположенными на или вблизи элементов конструкции, так же как основанные на сохраненных значениях предшествующих данных, относящихся к условиям заснеженности и обледенения элемента конструкции, обеспечивая адаптивный метод управления. Способ согласно данному изобретению отличается тем, что:
- текущие входные данные, относящиеся к значению эффективной температуры поверхности элемента конструкции и к значениям следующих параметров: количество снега/льда на поверхности элемента конструкции, температура воздуха, скорость ветра, выпадение осадков, скорость элемента конструкции и вибрации элемента конструкции, сравниваются контроллером с сохраненными данными предшествующих значений этих параметров, которые зарегистрированы как временная функция, и
- с использованием сохраненного алгоритма контроллер вычисляет, основываясь на указанных соответствующих входных и предшествующих данных, необходимость передачи энергии и в таком случае также значения силы тока и частоты, которые необходимы для удаления снега/льда с поверхности элемента конструкции, частоту, воздействующую на временную константу изменения температуры элемента конструкции,
- в соответствии с результатом вычислений контроллер передает сигнал запуска или остановки, так же как и внешний управляющий сигнал, включающий значения силы тока и частоты, энергоснабжающему оборудованию, и
- контроллер заменяет предшествующие данные на данные новых значений параметров, которые являются результатом измерения текущих условий заснеженности/обледенения на поверхности элемента конструкции, согласно заранее установленной методике.
Кроме того, согласно дополнительному аспекту изобретения обеспечено средство для управления подачей электрической энергии при помощи высокочастотного переменного тока от электроснабжающего оборудования на нагревательное оборудование для предотвращения образования льда или удаления льда или снега с элемента конструкции, которое содержит контроллер, выполняющий работу, основываясь на входных данных, представляющих собой значения физических параметров, измеренные датчиками, которые расположены на или поблизости от элемента конструкции, в котором контроллер является контроллером адаптивного типа. Средство согласно данному изобретению отличается тем, что:
- контроллер выполнен с возможностью сравнения текущих входных данных, которые относятся к значению эффективной температуры поверхности элемента конструкции и значениям следующих параметров: количество снега/льда на поверхности элемента конструкции, температура воздуха, скорость ветра, выпадение осадков, скорость элемента конструкции и вибрации элемента конструкции, с хранимыми данными предшествующих значений этих же параметров, которые сохранены как временная функция, и
- контроллер дополнительно выполнен с возможностью вычисления, используя сохраненный алгоритм и основываясь на указанных входных и предшествующих данных, необходимости передачи энергии на нагревательное оборудование и в таком случае также значений силы тока и частоты, необходимых для удаления снега/льда с элемента конструкции, частоты, воздействующей на временную константу изменения температуры элемента конструкции,
- контролер дополнительно выполнен с возможностью согласно результату указанного вычисления посылать сигнал запуска или остановки, так же как и внешний управляющий сигнал, включающий значения силы тока и частоты, на электроснабжающее оборудование, и
- контроллер выполнен с возможностью замены предшествующих данных на данные новых значений параметров, которые являются результатом измерений текущих условий заснеженности/обледенения на поверхности элемента конструкции, согласно заранее установленной методике.
Способ и средство, описанные здесь, обеспечивают технически и экономически благоприятную защиту от обледенения для предотвращения налипания снега или образования льда на ответственных элементах воздушных турбин, которые установлены в областях с климатическими условиями, представляющими опасность обледенения.
При помощи данного способа достигается оптимальное использование существующего потенциала производства энергии в любое время и, следовательно, позволяет задействовать больше географических областей, которые могут использоваться для рентабельного производства безопасной для окружающей среды ветровой энергии, в общей перспективе.
В соответствии со способом данного изобретения ветровые турбины могут находиться в рабочем состоянии также при критических комбинациях температуры, скорости ветра и выпадения осадков, являющихся причиной нарастания снега или образования льда на вращающихся элементах турбины или на элементах, на которых обледенение может стать причиной недопустимых статических нагрузок.
Способ имеет значительный коммерческий потенциал, дающий стремительный рост в развивающейся отрасли разработки источников воздушной энергии. Дополнительно большая часть географических областей, имеющих значительный потенциал ветровой энергии, расположена в областях, в которых климатические условия являются причиной налипания снега или образования льда на ответственных элементах турбины. Способ решает многие проблемы, связанные с заснеженностью или обледенением ветровых турбин, эффективным и экономически благоприятным образом. Более того, способ также способствует росту значения в развитии данной индустрии, среди прочего, увеличенному притоку инвестиций, необходимых в областях, столкнувшихся с опасностью заснеженности или обледенения.
Краткое описание чертежей
Далее представлено более подробное описание данного изобретения, включающее подробный обзор предпочтительных вариантов осуществления, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 показывает сечение части элемента конструкции, в частности лопасть ветровой турбины, с металлической фольгой, используемой для нагревания.
Фиг.2 показывает схематический вид контроллера, используемого для регулировки подачи электроэнергии на металлическую фольгу, и
Фиг.3 представляет блок-схему, показывающую способ управления согласно варианту осуществления данного изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Следует заметить, что, тогда как описание основывается на ветровых турбинах, с которых должен удаляться лед, изобретение также найдет применение в других областях, таких как лопасти самолетов, роторы вертолетов, и других наружных конструкциях, в частности подвижных конструкциях, например, так ссылка делается обычно на "устройство" и "элемент конструкции", когда изобретение излагается в более общей форме. Учитывая это, в дальнейшем ветровые турбины будут относиться к практическому варианту осуществления.
В соответствии с вышесказанным и ссылкой на фиг.1 способ согласно данному изобретению относится к использованию высокочастотного электрического тока для нагрева поверхности 2 элемента 1, который является объектом заснеженности или обледенения, величина которых недопустима для работы турбины. Поверхность 2 элемента 1, на которой наслаивание снега или образование льда недопустимы, обеспечена электропроводящим материалом 3, предпочтительно представляющим собой металлическую фольгу, которая имеет форму полосок различной длины, прикрепленных к поверхности 2 как липкая лента. Лента также обеспечивает необходимую защиту поверхности 2 против механических и химических воздействий. Фольга может быть зафиксирована с поверхностью 2 с возможностью быстрого удаления фольги в процессе обслуживания. Через проводящий материал 3 (фольга) пропускается высокочастотный ток, что обусловлено местными климатическими данными, что обеспечено системой, к которой относится данный способ. Оборудование гарантирует, что ток пропускается через материал 3 поверхности 2, когда возникает опасность образования снега или льда на ответственных защищаемых элементах. При этом температура поверхности растет, предотвращая накопление снега или образование льда. Более того, при запуске ветровой турбины после нерабочего периода удаление снега или льда с ответственных деталей будет эффективно перед запуском турбины.
Ссылаясь дальше на фиг.2, устройство согласно изобретению главным образом содержит оборудование 11, 13 для адаптивной генерации высокочастотного тока, имеющего переменные силу тока и частоту. Энергия оборудованию может передаваться от генератора турбины или от энергосистемы 10, которой турбина передает выделенную энергию. Оборудование дополнительно содержит контроллер 13 для управления, слежения и проверки технологических деталей всей системы, включающей датчики 4, 14, 15, 17, 18, 19, необходимые для беспрерывного обнаружения механических и климатических условий на месте расположения турбины.
Запуск и работа системы происходят автоматически на основании данных о климатических условиях в месте расположения, действуя под влиянием условий работы, принимая во внимание, работает ли турбина или выполняется подготовка к запуску.
Адаптивный автоматический контроллер 13 собирает данные о климатических условиях с датчиков, включающих температуру 19 воздуха, скорость 17 ветра и выпадение осадков 18.
Дополнительно данные собираются с элементов турбины, которые могут подвергаться нарастанию снега или обледенению, то есть с датчика 4 температуры поверхности, датчика 15 скорости вращения и датчика 14 вибраций. На основании данных от датчиков и предшествующих данных, относящихся к условиям заснеженности и обледенения для данной турбины, контроллер 13 определяет силу тока и частоту для высокочастотного тока, передаваемого на металлическую фольгу (нагревательный элемент) 3, и регулирует трансформатор 11 частоты для оптимизации подачи энергии на металлическую фольгу 3.
Контроллер 13 беспрерывно следит за присутствием снега или льда на открытых частях в соответствии с климатическими данными и данными о работе и использует эти данные в беспрерывном вычислении силы тока и частоты, которые предаются нагревательному элементу 3.
Через фольгу 3 пропускается высокочастотный ток, имеющий частоту, принуждающую ток протекать в поверхностном слое фольги. Частота тока регулируется системой таким образом, чтобы минимизировать потребление энергии в системе, на основании, в частности, температуры поверхности элемента, на которой предотвращается налипание снега или образование льда. Оптимальная частота вычисляется, используя алгоритм, который основан на текущих и предшествующих данных. По существу, частота теплового тока влияет на временную константу изменения температуры поверхности элемента таким образом, что возможно определить частоту, которая "наиболее дешевым" возможным образом приводит к быстрому нагреву. Временная константа температуры поверхности находится под влиянием, в частности, при помощи связи между отклонением частоты и тока в нагревательном элементе.
Система для предотвращения образования слоев льда и/или снега на устройстве запускается и останавливается автоматически, действуя под влиянием информации с датчиков, передающих данные о местных климатических и механических условиях, на основании того, что текущая температура, выпадение осадков и скорость ветра вместе с основными рабочими условиями (скоростью вращения турбины, вибрациями, температурой поверхности) сообщают о присутствии слоя снега или льда на ответственных деталях с учетом климатических условий, топографии, так же как и географического положения турбины.
Контроллер 13 также позволяет адаптивную регулировку работы оборудования теплового излучения (металлической фольги) 3 на основании эмпирических данных, касающихся проблем, вызванных заснеженностью и обледенением, для турбин, на которых установлено устройство.
0
1
Теперь обратимся к фиг.3, на которой представлена блок-схема способа управления, согласно которому контроллер 13 работает. Алгоритм начинается в блоке 30. В блоке 31 замеряются входящие данные релевантных измеряемых параметров, таких как значение скорости вращения турбины ω, скорость ветра n, выпадение осадков H (датчик), вибрации лопастей турбины U/A, так же как и температура поверхности τ, температура лопастей и воздуха τ.
В блоке 32 все предшествующие значения основных параметров сохраняются. Значения автоматически обновляются, когда обнаруживается изменение конкретного критического значения. Это происходит, когда значение тока, буферизованное в блоке 33, определяется как отличное от сохраненного в блоке 32. Это происходит, когда обнаруживается обновленное критическое значение в блоке 35.
В блоке 33 текущие значения сравниваются с критическими значениями. Когда значение текущего параметра больше или равно критическому значению параметра, посылается сигнал для вычисления соответствующих действий в блоке 34. В противном случае действие не инициируется.
На основании вычислений в блоке 34, на основании сравнения температуры поверхности с критической температурой поверхности в блоке 37 и на основании сравнения текущего значения выпадения осадков с критическими значениями выпадения осадков (количество изморози/льда/снега/воды) в блоке 38, если текущие значения превышают критические значения, посылается сигнал для запуска нагревания в блоке 39 и вычисление выходных значений (тока и частоты) для нагревательного оборудования в блоке 40.
Если датчики обнаруживают лед/снег/изморозь в блоке 36, даже если текущие значения выпадения осадков и температуры не превышают критических значений, то критические значения обновляются в блоке 35.
Если значения температуры и выпадения осадков не превышают критических значений и датчики также не обнаруживают выпадения осадков, оборудование переходит в режим ожидания.
Согласно вышеизложенной методике обеспечиваются оптимальные выходные значения энергии, необходимой для предотвращения/удаления льда/снега при помощи адаптивного управления, которое автоматически приспосабливается под конкретный климат в месте использования. Таким образом, потребление энергии уменьшается до абсолютного минимума для каждой конкретной установки.