CN100347441C - 操作风涡轮的方法 - Google Patents

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Abstract

风涡轮有一发电机(7)和一连接的转子(3)，该转子有一毂部(4)和可旋转地连接在毂部上的叶片(5)以便调节俯仰角。在一操作这种风涡轮的方法中，在叶片上有结冰危险并且无风或弱风的气候条件下，该发电机被用作电动机以便用来驱动转子，并且该叶片的俯仰角可被调节以便确保使合成风基本上能冲击该叶片的前缘。任何形式的冰可按已知的方式用去冰方法加以去除。

Description

操作风涡轮的方法
技术领域
本发明涉及一种操作风涡轮的方法，该风涡轮包括一个具有一转子的发电机，在转子上设有毂部和可旋转地连接在该毂部上以调节俯仰角的叶片。
开始时应注意到下列短语“可旋转地连接在毂部上以调节俯仰角的叶片”不仅可用于俯仰角受控的叶片上，而且可用于主动的失速受控的叶片上。在俯仰角受控的风涡轮上当风速增加时，叶片被转到离开失速状态，即俯仰角被增加使升力受限制。在主动的失速受控的风涡轮上于高风速的情况下，叶片被转到负方向，即与俯仰角受控叶片所用方向相反的方向以得到失速。
背景技术
众所周知，风涡轮可被设置在能在风涡轮的叶片和其余部分上结冰的气候条件下。在低气温和高温湿度或降雨量多的区域内，结冰的危险特别高。
在操作风涡轮时即当转子转动时，结冰主要发生在叶片上的前缘区域内。这种结冰可能是重大问题，因为叶片的前缘能大大地影响叶片的空气动力性能，在其上的冰层能显著地降低风涡轮的效果。在一个或多个叶片上的结冰还能造成转子的不平衡并在涡轮的机械部件上增添附加的载荷。
为了防止或至少减少结冰带来的问题，目前使用的方法为去除冰层(也称去冰)或防止结冰(也称防冰)。采用去冰方法时，允许冰层在涡轮运行时在叶片的前缘上形成，所说冰层然后按适当的时间间隔被除去。采用防冰方法时当在叶片上不断防止结冰，最好将叶片连续加热到冰点以上的温度使在叶片上的结冰不会发生。
去冰可用机械方法完成如在叶片的前缘上使用可吹胀的橡胶吹风器，或用加热方法完成，如将电热元件埋在叶片的表面内，或将热空气送到叶片的内部(见DE 20 014 238 U1)，或用微波能加热(见WO98/01340)。
防冰主要用加热法完成，这时须将整个叶片加热。如果在去冰时只是将前缘加热，那么在冰熔化时产生的水将会流下到后缘上，随后冻结成冰。因此在防冰时必需加热整个叶片。
目前，在弱风或无风时，常令转子停转或让风涡轮空转，其时涡轮与供电网脱开连接，因此转子取决于风速，或缓慢旋转，或静止不动。但在这两种情况下，在有结冰危险的气候条件下，都可能有相当厚的冰层在叶片上、塔上和机舱上形成。
在风涡轮能被重新开动和有效地运行之前，必须把叶片上的冰去掉，这可用加热叶片来完成。加热的方法例如可用上面结合防冰所说的方法。这样形成的冰便可松解并在涡轮开动之前掉到地上。
但上述这些使风涡轮防冰/去冰的方法都不是最佳的。
另外，当风涡轮在有结冰危险的气候条件下静止不动时，所有的涡轮组件包括齿轮箱内的油和在涡轮内的各种液压组件都被激冷。在涡轮停转的状态下，齿轮箱油和液压油都不再流动。来自机舱和涡轮叶片的载荷就都长时间被支承在各种没有润滑的轴承内的相同的滚珠或滚柱上。这样在从停转状态开动涡轮时要比涡轮连续运行时有较多的磨损。
发明内容
本发明的目的是要提供一种方法以便在一定的气候条件下控制风涡轮叶片发生结冰的区域，同时防止在风涡轮叶片的其他区域内结冰。一个特殊目的是要提供一种操作风涡轮叶片的方法使结冰局限于叶片的前缘区域。本发明还有一个目的是要提供一种方法使在弱风时涡轮叶片上有结冰危险的气候条件下能够得到较可操作的风涡轮叶片。
根据本发明，提供了一种操作风涡轮的方法，该风涡轮包括一个具有一转子的发电机，该转子具有一个毂部和可旋转地连接在毂部上以调节俯仰角的叶片，其特征在于，在叶片有结冰危险并且无风或弱风的气候条件下，该发电机被用作驱动该转子的电动机，这些叶片的转速和俯仰角被调节，使结冰发生在这些叶片的前缘区域内，在该区域内设有抑制结冰的设施，其形式为一去冰系统或一设有防水防冰表面的表面结构或表面镀层，这些叶片的转速和俯仰角可被调节，使合成的风力能以-30°和+30°之间的入射角沿着这些叶片的大部分纵向长度冲击这些叶片的前缘，去冰系统，每隔一段时间启动以便除去所形成的冰层。
按照本发明的方法，其特征在于，在无风或弱风时叶片上有结冰危险的气候条件下，发电机被用作转子的电动机，叶片的转速和俯仰角可被调节使结冰发生在叶片的区域内，特别是叶片的前缘区域内，在该区域内设有结冰抑制设施，其形式为一去冰系统或具有防水防冰表面的表面结构或表面镀层。
应该注意到风涡轮叶片常被扭曲致使叶片本身的俯仰角在根部为最高，在末梢为最低，典型情况为0度，因此在叶片的长度上合成风的入射角是变化的，所说叶片俯仰角的调节应被理解为整个叶片的转动。
还应注意到短语“无风或弱风”是指在0到5m/s之间特别是在3m/s以下的风速。
最后，应该注意到短语“合成风或风速”是指在叶片的高度掠过地面的实际风(也称自由风)和由于叶片的旋转而产生的动力风(headwind)两者的合成。
在涡轮并不为供电网生产电力的无风或弱风期间及在叶片有结冰危险的气候条件下，都是用涡轮自己的发电机作为电动机来使转子旋转的。同时，叶片的俯仰角被这样调节使任何结冰只发生在叶片的设有结冰抑制设施的区域内，特别是在叶片的前缘区域内。这个操作状态与正常操作多少有点相像，因为结冰只是发生在叶片的前缘上，而叶片的压力侧和负压侧都被保持在无冰状态。应该知道须使转子以这样的转速旋转以便确保如有结冰的话，基本上只是发生在叶片的前缘上。这样，一个从叶片前缘上去冰的系统便完全足够。叶片前缘的去冰系统可以用任何已知型式例如上面说过的主动的机械或电气去冰系统，但去可使用被动的去冰系统，其形式为一具有防水防冰表面的特殊表面结构或镀层。另外，也可把主动的和被动的去冰系统结合起来使用。
按照本发明的方法还有另一个优点是使用发电机/电动机来驱动转子的设施可以在两个状态下进行迅速而容易的切换，一个状态是在停止时的操作，其时转子从供电网吸取电力而被驱动；另一个状态是有效的操作，其时转子被风力驱动而产生电力供给网上。由于转子总是保持有一定转速，因此当风速增加到可以产生电力时，该风涡轮在原则上已准备好可以立即进行切换。
在从停止状态即转子被制动的状态进行正常开动时，转子在被连接到供电网之前须先投入转动。按照本发明的方法可在风速有短时间变化时在空转操作和有效操作之间迅速进行切换。涡轮的连续运行与从完全停止开动涡轮相比还可减少涡轮机械部件的磨损。
按照本发明的一个实施例，叶片的转速和俯仰角被这样调节使合成风以-30°和+30°之间、最好以-12°和+12°之间的入射角沿着叶片纵向长度的大部分冲击前缘，或者不同地将叶片的弦和合成风的方向之间的夹角设在-30°和+30°之间、最好在-12°和+12°之间。结果合成风便可基本上沿着叶片纵向长度的大部分即至少为其纵长度的一半或外面的2/3冲击前缘。
按照本发明另一个实施例，叶片的俯仰角可被这样调节使转动转子所用能耗为最小。实际上这意味着所述俯仰角接近0°，这样，迎面的风力被减为最小。
另外按照本发明，叶片在前缘区域内可设有按一定的时间间隔启动的去冰系统以便去除形成的冰层。
就此而言，启动去冰系统的时间间隔可根据形成冰层的厚度来确定。
作为上述的选项或添加，启动去冰系统的时间间隔还可根据气候条件，即根据风力、温度、湿度和降雨量的测量来确定。
再者，在特别简单的实施例中，去冰系统可定期启动。
另外按照本发明，叶片的前缘区域可设有一个具有防水防冰表面的表面结构或表面镀层。理论上这样应该可能完全防止叶片上的结冰，至少可以减少冰的沉积率和冰层形成的厚度。将这实施例与主动的去冰系统如设在叶片前缘上形式为可吹胀的柔性吹风器的机械去冰系统、或形式为加热元件的热力去冰系统结合起来能相当长地增加启动去冰系统的时间间隔。
再者按照本发明，使用发电机作为电动机可使转子以至少为2m/s在叶片末梢上测出的转速旋转。
另外按照本发明，使用发电机作为电动机可使转子以相同的恒定转速旋转。
最后按照本发明，发电机可间断地被用作电动机使转子按预定的第一转速旋转，然后将该发电机/电动机与供电网脱开连接，让转子自由空转一直到达到预定的第二转速，随后发电机又被用作电动机一直到再次达到预定的第一转速。
附图简要说明
按照本发明的方法的一个简单的实施例将在下面结合附图详细说明，其中：
图1为一风涡轮的略图，在该涡轮上可实施按照本发明的方法，
图2为一叶片轮廓的横截面，其中示出合成风的入射角。
具体实施方式
图1所示的风涡轮包括一个塔，在其顶上设有一个机舱2，所说机舱可相对于塔环绕一条垂直轴线旋转。在该机舱2上设有一个转子3可环绕一条水平轴线旋转，所说转子3有一毂部4和连接在其上的三个叶片5，其中只有两个被示出。每一叶片5都可旋转地连接在毂部上使叶片的俯仰角可被调节。在机舱内有一齿轮箱6和一连接到齿轮箱上的发电机7被概略地示出，所说齿轮箱6被连接到转子上。每一叶片5都有一负压侧12和一压力侧13(参阅图2)。
现在假定该发电机为一异步发电机，转速为1500转速。按照现有技术，这种型式的风涡轮应在无风或微风时即典型地在风速低于3m/s时与供电网脱离连接并且取决于风速，该转子将可缓慢旋转。但风涡轮的控制系统连续地监控该转速。当达到特定的转速水平时，从供电网来的电力又可接上使该转子在风速增加时又可按正常的转速旋转，从而该涡轮能够产生电力。随后便可按已知的方式控制该风涡轮包括其叶片的俯仰角以便产生电力。在随后的时间内如果无风或只有弱风，该涡轮又可再一次与电网脱离连接。
但按照本发明的方法，在叶片上有结冰危险的气候条件下并且无风或弱风时，涡轮仍保持与供电网连接，异步电动机被用作电动机并用频率转换器来任意转动转子。同时叶片的俯仰角被调节使合成风能够以-12°和+12°之间的角度冲击前缘，从而使叶片的弦与合成风的方向形成一个在-12°和+12°之间的角度(参阅图2)。这个特点可用选择叶片的俯仰角使它接近0°来取得，这时逆向风力及从而用来使转子旋转的能耗可减为极小。结果，如果有结冰的话，将只发生在叶片的前缘10上。而在前缘10上形成的冰可不时启动布置在叶片前缘10上的加热元件8使任何形成的冰层都可被松解并掉落。
在本发明的一个简单的实施例中，在有结冰危险的气候条件下，加热元件8可按预定的时间间隔被启动。
如果涡轮具有可变的转速，最好使转子按最低的转速旋转，这样可确保合成风能按-30°和+30°之间、并且最好按-12°和+12°之间的入射角沿着叶片纵向长度的大部分冲击叶片的前缘。使叶片上的俯仰角接近于0°是有利的，因为不仅可以减少使转子旋转的能耗，同时可以确保结冰发生在叶片的前缘上至少沿着其纵向长度的大部分即外面的半部或外面的三分之二。

Claims (8)

1.操作风涡轮的方法，该风涡轮包括一个具有一转子(3)的发电机(7)，该转子具有一个毂部(4)和可旋转地连接在毂部(4)上以调节俯仰角的叶片(5)，其特征在于，在叶片(5)有结冰危险并且无风或弱风的气候条件下，该发电机(7)被用作驱动该转子(3)的电动机，这些叶片的转速和俯仰角被调节，使结冰发生在这些叶片的前缘区域内，在该区域内设有抑制结冰的设施，其形式为一去冰系统或一设有防水防冰表面的表面结构或表面镀层，这些叶片的转速和俯仰角可被调节，使合成的风力能以-30°和+30°之间的入射角沿着这些叶片的大部分纵向长度冲击这些叶片的前缘(10)，所述去冰系统每隔一段时间启动以便除去所形成的冰层。
2.如权利要求1所述的操作风涡轮的方法，其特征在于，所述叶片的转速和俯仰角被调节成使合成的风力以-12°和+12°之间的入射角沿着这些叶片的大部分纵向长度冲击这些叶片的前缘(10)。
3.如权利要求1或2所述的操作风涡轮的方法，其特征在于，这些叶片的俯仰角被调节，以便使用来转动该转子的能耗减至最小。
4.如权利要求1所述的操作风涡轮的方法，其特征在于，启动除冰系统的时间间隔根据该形成冰层的厚度来确定。
5.如权利要求1所述的操作风涡轮的方法，其特征在于，启动去冰系统的时间间隔根据气候条件，即根据风力、温度、湿度和降雨量的测量来确定。
6.如权利要求1所述的操作风涡轮的方法，其特征在于，启动去冰系统的时间间隔是固定的。
7.如权利要求1所述的操作风涡轮的方法，其特征在于，将发电机用作电动机，使转子以相同的恒定转速旋转。
8.如权利要求1所述的操作风涡轮的方法，其特征在于，将该发电机间断地用作电动机，使该转子以预定的第一转速旋转，然后使该发电机/电动机与供电网脱离，以允许该转子自由空转，直至达到预定的第二转速，该发电机随后被用作电动机，直至再一次达到该第一预定转速。
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