BE1017458A3

BE1017458A3 - Windturbine.

Info

Publication number: BE1017458A3
Application number: BE2007/0048A
Authority: BE
Original assignee: Hansen Transmissions Int
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-10-07
Also published as: AU2008200321A1; EP1956236A1; CA2618259A1; CN101265879A; JP2008190524A; US20080187440A1

Abstract

Windturbine die voorzien is van een rotor (6) met schroefbladen (7) met regelbare invalshoek die verdraaibaar rond hun lengteas op de rotor (6) zijn aangebracht en die voor het regelen van de invalshoek zijn voorzien van een aandrijving (9) en een primaire aansturing (10) daarvoor, als functie van een gemeten parameter, daardoor gekenmerkt dat zij is voorzien van een secundaire aansturing (11) die de invalshoek ten opzichte van de primaire aansturing (10) volgens een vooraf bepaalde instelling zal laten variëren.

Description

Windturbine.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een windturbine.

Zoals bekend zijn windturbines opgebouwd rond een elektrische generator die in een behuizing bovenop een pyloon is geplaatst en die via een transmissie in de voornoemde behuizing wordt aangedreven door een rotor met schroefbladen die door de wind kan worden aangedreven.

Meer speciaal heeft de uitvinding betrekking op een windturbine van het type dat voorzien is van een rotor met schroefbladen met regelbare invalshoek die verdraaibaar rond hun lengteas op de rotor zijn aangebracht en die voor het regelen van hun invalshoek zijn voorzien van een aandrijving en primaire aansturing van deze aandrijving als functie van een gemeten parameter.

Het regelen van de invalshoek van de schroefbladen is onder meer bedoeld voor de aansturing van het uitgaand vermogen of het toerental van de turbine en mogelijk voor het realiseren van een actieve demping van de flexibele structuur van de windturbine in haar geheel en van haar componenten.

Door de actieve demping kunnen de buigingen en de distorsies, evenals de belastingen van belangrijke componenten van de windturbine beperkt worden.

Het regelen van de invalshoeken van de schroefbladen kan, hetzij individueel gebeuren voor elk schroefblad afzonderlijk of gesynchroniseerd voor alle schroefbladen.

De aansturing reageert op signalen van één of meer sensoren voor de meting van één of meer parameters zoals de hoekinstelling van de schroefbladen, het uitgaand vermogen, de rotatiesnelheid van de rotor, de belasting van de bladen of van de rotor, versnellingen in de windturbine, en dergelij ke.

De aansturing maakt meestal deel uit van een servoregeling waarvan de gemeten signalen, al dan niet gefilterd en bewerkt, worden gebruikt voor de terugkoppeling ter vergelijking met een ingestelde wenswaarde.

Windturbines zijn meestal opgebouwd uit componenten met een niet-lineaire belastings- of buigkarakteristiek, zoals de schroefbladen, de verbinding tussen de rotor en de transmissie, de behuizing, de verbinding tussen de behuizing en de pyloon, componenten van de transmissie en dergelijke meer.

Het is bekend dat een constructie met componenten met niet-lineaire karakteristieken zich anders gedraagt dan een constructie met zogeheten lineaire componenten.

Typisch is dat een niet-lineaire constructie meer dan één vervormings- of vibratiemode kan bezitten en dat de evenwichtsmode waarnaar gestreefd wordt afhankelijk is van de beginvoorwaarden bij het opstarten.

Uit de chaos theorie is ook bekend dat dergelijke constructies onstabiel kunnen worden wanneer er voor de betreffende constructie een vreemde attractor of een zogeheten "strange attractor" bestaat, ook wel bekend als "attractor at infinity". Het bestaan van zulke vreemde attractor kan resulteren in het feit dat er plotselinge wijzigingen kunnen optreden in het gedrag van de constructie en dat de buigingen en vervormingen van de componenten plots zeer hoge amplitudes kunnen aannemen.

In de meeste reële constructies treden er voldoende storingen op in de belasting om te voorkomen dat dergelijke situaties met vreemde attractoren en de zogenaamde "blue sky catastrophy" zich daadwerkelijk zouden voordoen.

In het geval van windturbines echter is het risico van het zich voordoen van zulke fenomenen reëel, vooral in omstandigheden waar de windcondities relatief stabiel zijn, zoals in het geval van windturbines in open zee .

De meeste windturbines zijn bovendien heden ten dage voorzien van een variabele draaisnelheid, wat het risico verhoogt dat de rotor kan draaien aan een toerental dicht tegen een kritische waarde, bijvoorbeeld met betrekking tot het zich voordoen van ongewenste resonantieverschijnselen.

Om deze toestand te vermijden, worden vandaag de dag systemen ontwikkeld voor actieve demping van de buigingen en vervormingen door actieve sturing van de invalshoek van de schroefbladen.

Een moeilijkheid die zich daarbij echter voordoet bij het meester zijn van de sturing van de invalshoek situeert zich op het niveau van de sensoren en van de omzetting van hun signalen en het feit dat het op basis van deze signalen zeer moeilijk is te voorspellen of het zich voordoen van een instabiliteit nakend is.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan de voornoemde en andere nadelen een eenvoudige oplossing te bieden door in een aansturing van de invalshoek van de schroefbladen te voorzien om het risico te verminderen van geconfronteerd te worden met situaties veroorzaakt door het bestaan van zogeheten vreemde attractors, waarbij de beoogde aansturing combineerbaar is met de reeds bestaande aansturingen.

Hiertoe betreft de uitvinding een windturbine die voorzien is van een rotor met schroefbladen met regelbare invalshoek die verdraaibaar rond hun lengteas op de rotor zijn aangebracht en die, voor het regelen van de invalshoek, zijn voorzien van een aandrijving en een primaire aansturing daarvoor als functie van een gemeten parameter, waarbij de windturbine is voorzien van een secundaire aansturing die de invalshoek ten opzichte van de primaire aansturing volgens een vooraf bepaald algoritme zal laten variëren.

Op deze manier worden de hiervoor genoemde catastrofale toestanden op zeer eenvoudige manier opgelost door gewild een storing in te voeren in het belastingspatroon van de windturbine door de invalshoek van de schroefbladen op een vooraf bepaalde gewenste manier te variëren . Hierdoor vermijdt men opslingering van de constructie of een deel van de constructie en het optreden van het fenomeen waarbij de constructie of een deel van de constructie naar een vreemde attractor gaat bewegen.

Ook het zich voordoen van bepaalde resonantieverschijnselen wordt op deze manier voorkomen of gedempt .

Bij voorkeur laat de vooraf bepaalde instelling van de secundaire aansturing de invalshoek continu variëren en dit minstens gedurende periodes van stabiele windomstandigheden.

Het zal doorgaans voldoende zijn de invalshoek over kleine hoeken - bijvoorbeeld orde van 1° - te laten variëren rond het werkingspunt waarin de bladhoek zich op elk ogenblik bevindt.

De secundaire aansturing van de invalshoek kan volgens een vooraf ingestelde wetmatige of stochastische functie verlopen, bijvoorbeeld volgens een periodieke functie, of volgens een vooraf ingesteld algoritme waarin een stochastisch element is opgenomen , waarbij ernaar gestreefd wordt de frequentie van de secundaire aansturing van de invalshoek verschillend te maken van bepaalde vooraf vastgestelde kritieke waarden. De secundaire aansturing hoeft geen input te krijgen van sensoren.

De secundaire aansturing kan volledig onafhankelijk zijn van de primaire aansturing en zal er bijvoorbeeld op gesuperponeerd worden, zodat, zowel de primaire, als de secundaire aansturing via dezelfde aandrijving kunnen worden gerealiseerd.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven van windturbine volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 schematisch een windturbine volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 op grotere schaal het gedeelte weergeeft dat in figuur 1 door F2 is aangeduid.

De in figuur 1 weergegeven windturbine 1 bestaat hoofdzakelijk uit een pyloon 2 waarop een behuizing 3 of een zogenaamde "nacelle" is aangebracht die verdraaibaar is rond een verticale as.

In de behuizing 3 is een elektrische generator 4 aangebracht die via een transmissie 5 in de behuizing 3 wordt aangedreven door een rotor 6 met schroefbladen 7 die door de wind kunnen worden aangedreven voor het opwekken van groene elektrische energie.

De schroefbladen 7 zijn door middel van lagers 8 verdraaibaar rond hun lengteas aangebracht op de rotor 6 en zijn, zoals schematisch weergegeven in figuur 2, voorzien van een aandrijving 9 om de invalshoek van de schroefbladen 7 te kunnen instellen of te regelen, waarbij in het weergegeven voorbeeld elke schroefblad 7 is voorzien van een eigen aandrijving 9, maar waarbij deze aandrijving 9 ook gemeenschappelijk zou kunnen zijn.

De windturbine 1 is verder voorzien van een primaire aansturing 10 van de voornoemde aandrijving of aandrijvingen 9 voor het instellen van de invalshoek van de schroefbladen 7, waarbij deze primaire aansturing 10, op bekende wijze, ervoor zorgt dat bijvoorbeeld het toerental van de rotor 6 of het opgewekt elektrisch vermogen constant worden gehouden.

Dit gebeurt doorgaans door een servo-mechanisme, waarbij de primaire aansturing 10 hiertoe signalen ontvangt van bepaalde sensoren voor het meten of berekenen van het toerental, het vermogen of dergelijke, waarbij voor de eenvoud deze sensoren niet zijn weergegeven in de figuren.

Bij het zich voordoen van een bepaalde storing in de wind of van de belasting of dergelijke, zal de primaire sturing 10 de instelhoek van de schroefbladen bij sturen om de storing tegen te werken.

Volgens de uitvinding wordt de windturbine 1 voorzien van een bijkomende secundaire aansturing 11 die ervoor zorgt dat, gesuperponeerd op de hoekinstellingen van de primaire aansturing 10, de instelhoek van de schroefbladen 7 bij voorkeur continu met kleine hoekvariaties wordt bijgesteld en dit volgens een vooraf ingestelde wetmatige of stochastische functie, bijvoorbeeld een periodieke functie, of volgens een vooraf ingesteld algoritme waarin een stochastisch element is opgenomen.

Op deze manier worden, bovenop de gangbare instellingen van de instelhoeken voor het constant houden van het toerental of het vermogen of dergelijke, kleine hoekvariaties geïmplementeerd die zorgen voor gewilde kleine storingen in het belastingspatroon van de turbine of van zijn onderdelen, welke storingen voldoende zijn om de in de inleiding beschreven ongewenste effecten te vermijden.

Het is duidelijk dat de secundaire aansturing 11 volledig onafhankelijk kan werken van welke input dan ook, van om het even welke sensor die gebruikt wordt voor de primaire aansturing 10, zodat beide aansturingen 10 en 11 volledig onafhankelijk van elkaar kunnen functioneren en de secundaire aansturing dus volledig onafhankelijk kan opereren van mogelijke uitwendige storingen, zoals veranderingen van de windsituatie, het afgenomen elektrisch vermogen of dergelijke.

Dus ook en vooral bij stabiele windomstandigheden zal de secundaire aansturing 11 actief blijven.

Het is ook duidelijk dat eventueel de secundaire aansturing 11 afhankelijk kan zijn van het zich voordoen van bepaalde situaties, waarbij het bijvoorbeeld niet uitgesloten is dat de secundaire aansturing 11 enkel dan actief zou zijn in periodes waarin de windomstandigheden in zekere mate stabiel zijn.

Alhoewel de primaire aansturing 10 en de secundaire aansturing 11 in de figuren zijn weergegeven als afzonderlijke componenten, is het niet uitgesloten en zelfs waarschijnlijk dat beide aansturingen 10 en 11 in één enkele sturing zijn verwerkt.

De mate waarin de hoekinstelling van de schroefbladen 7 met de secundaire aansturing 11 dient aangestuurd te worden kan experimenteel worden bepaald in functie van elk type windturbine 1 en eventueel de heersende windsituaties op de plaats van de windturbine 1.

Alhoewel het de voorkeur geniet dat alle schroefbladen 7 voorzien zijn van een secundaire aansturing 11 van de invalshoek, is het niet uitgesloten dat slechts een beperkt aantal van deze schroefbladen 7 van zulke aansturing zijn voorzien.

Tevens is het mogelijk om een secundaire aansturing 11 te voorzien die gemeenschappelijk is voor alle schroefbladen 7 of dat, in tegenstelling daarmee, elk schroefblad 7 is voorzien van een eigen secundaire aansturing 11.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvorm, doch een windturbine volgens de uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

1. Windturbine die voorzien is van een rotor (6) met schroefbladen (7) met regelbare invalshoek die verdraaibaar rond hun lengteas op de rotor (6) zijn aangebracht en die voor het regelen van de invalshoek zijn voorzien van een aandrijving (9) en een primaire aansturing (10) daarvoor, als functie van een gemeten parameter, daardoor gekenmerkt dat zij is voorzien van een secundaire aansturing (11) die de invalshoek ten opzichte van de primaire aansturing (10) volgens een vooraf bepaalde instelling of vooraf bepaald algoritme zal laten variëren.

2. Windturbine volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de vooraf bepaalde instelling van de secundaire aansturing (11) de invalshoek continu laat variëren.

3. Windturbine volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de vooraf bepaalde instelling van de secundaire aansturing (11) de invalshoek over kleine hoeken doet variëren.

4. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de secundaire aansturing van de invalshoek verloopt volgens een vooraf ingestelde wetmatige functie.

5. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de secundaire aansturing van de invalshoek verloopt volgens een vooraf ingestelde periodieke functie.

6. Windturbine volgens één van de conclusies 1 tot 3, daardoor gekenmerkt dat de secundaire aansturing van de invalshoek verloopt volgens een vooraf ingesteld algoritme waarin een stochastisch variërende parameter is opgenomen.

7. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de secundaire aansturing (11) onafhankelijk is van de primaire aansturing (10).

8. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de secundaire aansturing gesuperponeerd is op de primaire aansturing.

9. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de secundaire aansturing zich gemiddeld gezien in de tijd rond het actuele werkingspunt situeert.

10. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat minstens één schroefblad (7) is voorzien van een secundaire aansturing (11) van zijn invalshoek.

11. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat meerdere schroefbladen (7) zijn voorzien van een secundaire aansturing (11) van hun invalshoek.

12. Windturbine volgens conclusie 11, daardoor gekenmerkt dat meerdere schroefbladen (7) zijn voorzien van een gemeenschappelijk secundaire aansturing (11) van hun invalshoek.

13. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de frequentie van de secundaire aansturing van de invalshoek verschillend is van vooraf ingestelde kritische waarden.

14. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de secundaire aansturing minstens wordt geactiveerd bij stabiele windomstandigheden.