CN101855446B - 具有加热装置的风能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风能设备，其具有塔柱(10)、设置在塔柱上的吊舱(11)、用于给出电能的逆变器(15)和控制装置(16)，此吊舱(11)包括风转子(12)和由其驱动的发电机(14)，其中该风能设备连接在电网上并且为控制装置(16)设有温度传感器和加热装置。按本发明，设有附加的预热模块(4)，它包括温度开关(34，36)、控制单元(40)以及输出装置(45)，此温度开关(34，36)监控至少一个部件的温度并且在达到阈值时被操纵，并且以这种方式与加热装置共同作用，即，控制单元(40)操纵加热装置(33)，直到温度开关(34，36)响应，并且输出装置(45)紧接着传递释放信号(50)到控制装置(16)，用来使风能设备加速。本发明能够至少使对温度敏感的部件在加速前预热到运行温度。只有在预热状态以后才接通用于加速的部件。通过对USV单元(18)的作用，可以保证，所有部件同时以电压供电。由此在非常冷的环境温度下，尤其是在北极气候下的，显著地提高运行可靠性。

Description

具有加热装置的风能设备

技术领域

本发明涉及一种风能设备，它具有塔柱(Turm)、设置在塔柱上的吊舱(Gondel)、用于给出电能的逆变器(Umrichter)和控制装置，此吊舱包含风转子和由其驱动的发电机，其中该风能设备连接在电网上并且为控制装置设有温度传感器和加热装置。

背景技术

为了保证有利的运行条件，经常使风能设备竖立在暴露的位置，它们提供风力更足的、但也因此更恶劣的环境条件。温带以外的、尤其是近北极或北极圈中海岸段或山脉属于这种恶劣环境。因此，由于这种位置选择并由于风能设备的许多部件设置在较高的高度上，产生了低温保护的问题。这尤其适用于在控制装置中使用的灵敏电器。

通常已知，风能设备在竖立于极端气候位置上时配有空调装置，用于吊舱和设置在其中的部件。但是，这种可能不仅包括加热器而且包括冷却器的空调是极其耗能的，且由此以极其大的程度降低了风能设备的效率。这也适用于当省去冷却器取而代之只设有加热器的情况。这一点尽管对于竖立在气候较冷的地区是足够的，但是对于加热总还是需要极其大的能耗，由此相应地有损效率。

因此为了补救而建议，容纳控制装置的电器的控制柜配有除湿设备。它设计成，使控制柜中的水份减少到这样的程度，使得在较冷的温度下也不会导致结露。因此防止由于水份凝结对电器产生的负面影响，同时无需使整个控制柜加热到相当高的温度值，如同在纯加热装置中以传统方式所需的那样。由此降低能耗。

已知方法和装置的缺陷在于其停电时的特性。因为加热装置或除湿装置以电网功率供电，在停电时它们断电；相应地，在恢复供电(Netzwiederkehr)时它们再被接通。在此存在的问题是，在相当低的外界温度时在断电期间风能设备和其部件可能已经出现了这种冷却，在风能设备和其部件简单地再接通时可能导致故障，而且尤其在灵敏的控制电器上。

发明内容

本发明的目的是，这样来改进上述形式的风能设备，即，改善在低温时尤其相对于断电的特性。

按照本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有利的改进方案是从属权利要求的内容。

按照本发明的风能设备，它具有塔柱、设置在塔柱上的吊舱、用于给出电能的逆变器和控制装置，此吊舱包含风转子和由其驱动的发电机，其中为控制装置设有温度传感器和加热装置，按照本发明规定，附加的预热模块包括温度开关、控制单元以及输出装置，此温度开关监控风能设备的至少一个部件的温度并在达到阈值时被操纵，并且以这种方式与加热装置共同作用，使控制单元操纵加热装置，直到温度开关响应并且紧接着操纵输出装置，它传递释放信号(Freigabesignal)。

本发明的核心在于这种思想，即，风能设备在开始运行输入时以确定给定的方式加速。在此对于加速，考虑风能设备中的温度。这涉及这种思想，即，运行故障本来具有不确定的持续时间，例如停电。这种停电可能持续很长的时间，以至于原先暖运行的风能设备完全冷却下来。利用停电检测器可以监控电网的状态。如果现在恢复供电，则以常见的方式尽管操纵可能存在的加热装置，但是风能设备将立刻加速。这意味着，使控制装置的灵敏电器以全部运行电压或运行电流进行加载。在此可能导致损坏。这一点尤其也适用于逆变器的功率半导体(IGBT)。现在，本发明在这种状态下使用，即，在停电结束且电网电压恢复时由控制单元以这种方式控制风能设备的加速，即，首先操纵加热装置，并且在风能设备的相应的灵敏部件足够加热以后才输出释放信号，用于起动正常的加速过程。按照本发明的预热模块这样构成，以确定的顺序首先操纵确定的加热装置，直到达到预定的温度，然后才释放加速。在此，受控地加热风能设备。这尤其对于在凉爽和寒冷气候地区中的运行是显著有利的。由于本发明，不再存在由于提前接通还处于冷态的部件而出现故障的危险，如同在现有技术中以常见的方式即使在存在加热装置时在停电后也可能出现的那样。

所述控制单元最好通过其释放信号直接或间接地作用于通断单元，它给风能设备的至少一个部件供电。在最简单的情况下，释放信号直接作用于通断继电器。但是也可以规定间接的工作方式，例如通过释放信号激活不间断供电单元(USV单元)，它给风能设备的相应部件供电。在此最好这样构成USV单元，即，它包括通断单元，并且这样构成控制单元，只有当其余部件加热到确定的温度时，才接通USV单元。在此，USV单元指的是这种单元，它必要时能够动用任意的电源来为部件供电，如电池、电容器、柴油发电机、燃料电池或电网。

所述预热模块使用由温度传感器测得的值作为输入信号。但是最好附加地设有计时部分，它给定加热装置的最小接通持续时间。在此可以这样调整计时部分，即，或者确定在恢复供电后的最小时间，或者确定在由温度传感器确定达到温度阈值以后的最小时间。在两种情况下都可以通过规定最小时间，与所存在的温度和其它大气条件(如空气水份)无关地蒸发可能存在的结露或触点和电元件的残余水份。这尤其对于在非常潮湿的气候环境中(如在海滨或海岸边)的运行提供明显的运行可靠性。所述预热模块尤其也可以评价湿度传感器测得的湿度，并且使加热装置长时间地接通，直到超过温度阈值和/或低于相对湿度。

对于风能设备的灵敏部件(通常是具有功率半导体和控制装置的控制柜)来说，设有一个加热装置就足够了。但是通常设有多个加热装置。由此可以预热风能设备的不同部件，尤其是这些电子元件或安装电子元件的控制柜。它们最好是用于不间断供电的单元、顶箱和/或底箱，其中此顶箱设置在吊舱里面并且包括设置在吊舱里面的控制装置的部件，而此底箱通常设置在塔底座或较低高度的中间平台上，用于预热控制装置的位于下方的部件以及从变压器(Transformator)和到变压器的连接，此变压器使风能设备与电网连接。此外也可以设想其它部件，如传动器、油槽加热器、油控制器、润滑装置、转子叶片加热器、滚动轴承、逆变器控制器、叶片加热装置、通讯电器、减震器或分级-变压器控制器。

特别优选的是，在具有风转子的风能设备中设有温度传感器以及俯仰控制单元(Pitchsteuereinheit)上的加热装置，此风转子的叶片利用俯仰控制单元调整其迎风角。俯仰单元对于风能设备的可靠运行是特别重要的部件，它必须已经随着风能设备的加速在相当大的范围内进行操纵(例如使转子叶片从其作为风向标的静止位置中运动出来)。因此可以更仔细地预热俯仰系统。最好附加地设有时间继电器，它与温度传感器并联并且在可调整的时间以后接通。即使在温度传感器有缺陷的情况下，或者由于用于这个单元的加热装置有缺陷，在达到确定的、视为可靠的时间时继续执行加速过程。总之，特殊的监控各个部件如俯仰单元的优点是，在达到其运行温度以后可以立刻自动地接通其它部件如顶箱、底箱或USV单元，用于以传统的方式执行加速过程。

尤其适宜的是，这样构成控制单元，即，只有在其它的部件加热到确定的温度时才接通USV单元。

在优选的实施例中设有环境温度传感器，它与旁路模块共同作用，此旁路模块在超过确定的外界温度时直接释放(freischalten)释放信号在输出装置上。最好这样设置环境温度传感器，即，测量并评价典型的温度。这样构成旁路模块，即，在这个温度值大于所调整的参数(例如5℃)的情况下，直接输出释放信号。然后充分地加热风能设备的部件，无需预热地立刻开始风能设备的加速。为此，风能设备的控制装置在恢复供电后立刻以电压加载。由此在温暖气候下，避免在恢复供电时不必要的风能设备的停机时间。

最好在已经低于至少一个部件的至少一个温度极限值时，控制单元才操纵加热装置。为此，该控制单元可以具有逻辑耦联环节，它以或-逻辑耦联的意义进行工作。如果现在任意部件上的温度低于由运行者确定的阈值，则操纵加热装置。如果它们都位于阈值以上，则风能设备的部件都足够热，可以无需预热地执行加速。

适宜地还设有再加热模块，它最好根据外界温度在输出释放信号以后也操纵加热装置。由此在特别低的外界温度时，已经可以提前起动风能设备，其中由于再加热，还在风能设备的加速过程期间就能够继续加热关键部件。由此也可以在风能设备运行开始时防止不期望的温度下降，例如当吊舱在风向中旋转时并由此产生部件冷却的额外隐患。由此可以提高加热过程的可靠性；此外由此可以缩短预热时间，由此可以使风能设备总体上更快地加速。

在本发明的另一实施例中，所述再加热模块可以与起动风能设备无关地根据环境温度来激活加热装置，用于在运行期间防止有害地冷却风能设备，如果例如风速这样地低，以至于风能设备只产生微少的能量并由此产生微少的余热。为此，所述再加热模块最好具有温度监控器，它与控制单元这样共同作用，即，在运行中在低于极限温度时操纵加热装置。附加地可以设有内部温度传感器，它作为输入信号施加在温度监控器上。如果内部温度传感器识别到，风能设备吊舱中的温度也还位于确定的温度以下，则触发温度监控器并且进行再加热。如果风能设备在运行中由于部件(尤其是传动器)的余热达到了所期望的温度，则内部温度传感器识别到这一点，并且通过再加热模块结束再加热。

为了给预热模块供电最好设有自耦变压器(Spartransformator)，它与电网连接。由此使用于电能供供所需的费用最小化。

本发明还延伸到用于预热风能设备的相应方法。为了详细解释请参阅上面的实施例。

附图说明

下面参照附图详细描述本发明，在附图中示出有利的实施例。附图中：

图1示意性地示出按照本发明的实施例的风能设备；

图2示出按照图1的风能设备的主要元件的功能原理图；

图3示出所使用的预热模块的方框图。

具体实施方式

按照本发明的实施例的风能设备包括塔柱10，此塔柱10具有设置在其上端部上的吊舱11。该吊舱在方位方向上可旋转地构成，因此它可以对应于风向进行旋转。在吊舱内部设置发电机14、逆变器15以及具有控制装置16的顶箱21。该发电机14通过可旋转地设置在吊舱11端面上的风转子12进行驱动。该风转子包括多个(通常三个)可调整其迎风角的转子叶片13。为了调整迎风角(俯仰角)，在风转子12的轮毂中设有俯仰调整单元17。

在塔柱10底座上，在地面单元20中设置一个不间断供电单元18以及用于连接电网(未示出)的变压器9。所述发电机14以及逆变器15将产生的电功率通过未示出的导线馈入到底箱20以及变压器9中，用来发送到电网上。

此外，按照本发明在风能设备上设置预热模块4。下面参照图2和3进行详细描述。在图2中示出所述预热模块4和其在风能设备中的电连接。在变压器9中设有以自耦变压电路(Sparschaltung)构成的附加变压器29，用于为预热模块4供电。由于以自耦变压电路构成，对于这个附加的变压器29只需微少的硬件费用，由其引起的能耗是极其微少的。该附加变压器29通过400V导线22供电给预热模块4。在预热模块上连接多个加热装置23，33。此外，引出用于释放信号的信号导线50，它连接在USV单元18上，它对控制装置16、俯仰控制单元17和风能设备的其它部件供电。在此这样构成USV单元18，即，在停电以后在恢复供电时，只有在预热模块4前面施加释放信号时，它才通过USV单元的开关19将电压再接通到控制装置16、俯仰控制单元17等上。在没有俯仰模块3时，用于俯仰系统17的加热装置33设置在转子12的轮毂里面。除了加热装置33，还包括温度开关34以及时间继电器35(在图2中未示出)。这样构成温度开关34，即，在达到所期望的阈值温度时，将相应的第一控制信号传递到预热模块4上。这样构成时间继电器35，即，在温度传感器34或者也可能是加热装置33有缺陷的情况下，在预调节的持续时间以后，同样将第一控制信号输出到预热模块4上，用于在这种情况下也能够继续加速风能设备。

也可以在吊舱11里面、尤其是在顶箱21上，或在塔柱10里面、尤其是在底箱20里面设有其它的加热装置。相应地，可以根据需要为其它加热装置23附设温度开关。

为了描述功能关系，并且为了解释在风能设备加速前执行预热，请参阅图3。所述预热模块4包括控制单元40作为中心部件。在其上连接三个输入信号。在第一输入端上连接电源状态检测器41。备选或附加地也可以规定，在第一输入端上连接用于加速信号的信号输入端。由此能够由外部的控制装置将加速信号施加到风能设备。下面在考虑电网状态检测器41的条件下，详细描述了本发明的工作原理，但是本发明不局限于具有这种检测器的应用。这个检测器通过设置在变压器9上的电流和/或电压传感器28获得电网的相应电特征，并由此利用公知的算法确定，何时出现电网干扰、尤其是停电，何时结束干扰，尤其是在停电后再恢复电网。在恢复情况下，输出信号通过电网状态检测器41输出并且施加在控制单元40的第一输入端上。在控制单元40的第二输入端上连接外界温度传感器44。这样构成这个传感器，即，获得风能设备周围的温度

附加地或备选地可以设有用于相对湿度的传感器49。它最好设置在顶箱21里面，此外可以附加地在其它待监控的部件上设有这种传感器。为了简化也可以将湿度传感器49布置在控制单元40上。在第三输入端上连接信号导线37，用于在俯仰模块17中通过加热达到的温度。在信号导线的另一端上设有评价模块36，在其上连接温度传感器34以及时间继电器35。要注意，该时间继电器35以及评价模块36不必一定设置在控制单元40外部，而是也可以设置在控制单元内部。这样构成评价模块36，即，当由温度传感器34得到的温度已经达到确定的阈值时，输出一个信号。在此附加地由时间继电器35评价时间信号，并且当经过确定的持续时间时，与由温度传感器34得到的温度无关地将信号输出。由此保证，即使在温度传感器34或加热装置33出现故障时，在通过时间继电器35给定的确定时间以后，也将相应的信号施加到控制单元40上。

该控制单元40还具有三个(或多个)输出端。在第一输出端上，信号导线50给出释放信号，此控制信号用来释放风能设备的控制器16的加速，且该释放信号在图1所示的实施例中施加在USV单元18上。在第二输出端上连接加热装置23(必要时将其它加热装置23连接在第四和其它输出端上)。在第三输出端上连接用于俯仰系统3的加热装置33。

所述控制单元40具有中心计算模块43。此外设有用于各个功能的专用模块。旁路模块48与外界温度传感器44共同作用并且这样构成，即，在超过一定的外界温度时，直接通过导线50输出释放信号。以这种方式跳过预加热步骤。

所述计算模块43这样构成，即，根据由电网状态检测器41识别的恢复供电来执行预热，作为风能设备的部件真正加速前的预备阶段。为此激活加热装置23，33。它们加热风能设备的不同部件，如底箱20、顶箱21、俯仰系统17等。通过温度传感器获得通过加热装置23，33加热达到的温度，如同下面以俯仰系统3的温度传感器34为例详细解释的那样。如果这个温度传感器34用信号表示已达到调整的温度阈值，则通过评价模块36将相应的信号输出到控制单元40上。然后，该控制单元40停止加热装置23，33并且通过导线50输出释放信号。此外设有计时部分46，它保证，在经过确定的持续时间以后在各种情况下都输出释放信号50。由此保证，即使在温度传感器34或者甚至加热装置23，33失效的时候，也使风能设备加速。

不必一定在已达到调整的温度和输出释放信号时，才停止加热装置23，33。也可以设有再加热模块47。它这样构成，即，加热装置23，33在达到温度阈值和输出释放信号以后也还继续运行，用于还继续提高或者至少稳定温度。最好使再加热模块连接在外界温度传感器44上，用于在这些情况下执行再加热，如果由于特别低的温度这一点是有意义的并且是必需的。可以改进再加热模块47，用于在风能设备连续运行时也避免冷却。这一点可能在不利的气候条件下出现，如果在非常低的外界温度时只存在微风并由此使风能设备以局部负荷运行的时候，由此使风能设备不足以通过驱动链部件、尤其是传动器和发电机14的余热加热。为了识别运行中的这种冷却，适宜地设有温度监控器42。它具有内部温度传感器，并且将用于操纵再加热模块47的信号输出到控制单元40上，如果内部温度下降到给定的极限值以下的时候。所述再加热模块47这样长时间地操纵加热装置23，33，直到内部温度已经达到足够的数值，或者直到由于在新鲜的风的更大负荷下得到更多的余热本身已经足够地加热风能设备。

要注意，除了温度传感器以外，附加或备选地也可以追溯到用于相对湿度49的传感器。如果相对湿度超过确定的程度，则对于灵敏电子元件的集成存在着隐患。在这种情况下按照在太低温度时的工作流程，则通过按照本发明的预热模块4执行加热。

如果通过导线50输出释放信号，则接通USV单元，并且将来自电网的全部电压施加在控制装置16、俯仰系统17以及其它部件如逆变器15上。由于通过预热模块2起作用的预热，使部件都足够地热并且即使在极端冷的外界温度下也能立刻运行输入。在各种情况下都同步地且不受外界低温影响地实现风能设备的继续加速。代替通过USV单元18的间接释放，也可以直接接通风能设备的部件。在这种简化的实施例中，通断信号50直接作用于开关19上，并由此直接打开风能设备部件的供电，由此使风能设备加速。

Claims (15)

1.一种风能设备，其具有塔柱(10)、设置在塔柱上的吊舱(11)、用于给出电能的逆变器(15)和控制装置(16)，此吊舱(11)包括风转子(12)和由其驱动的发电机(14)，其中该风能设备连接在电网上并且为控制装置(16)设有第一温度传感器和加热装置，其特征在于，

设有附加的预热模块(4)，预热模块(4)包括温度开关、控制单元(40)以及输出装置(45)，其中该温度开关监控至少一个部件的温度并且在达到阈值时被操纵，并且预热模块(4)以这种方式与加热装置共同作用，即，控制单元(40)操纵加热装置(33)，直到温度开关响应，并且输出装置(45)紧接着传递释放信号(50)，其中，所述预热模块(4)还包括电网状态检测器(41)，它这样与控制单元(40)共同作用，即，在识别到恢复供电时操纵加热装置(33)。

2.如权利要求1所述的风能设备，其特征在于，所述释放信号(50)直接或间接地作用于通断单元(19)，该通断单元(19)产生对给风能设备的至少一个部件(18，20，21)的供电。

3.如权利要求2所述的风能设备，其特征在于，所述通断单元(19)是USV单元(18)的开关并且控制单元(40)这样设计，即，当其余的部件加热到一定的温度时，才接通USV单元(18)。

4.如权利要求1至3中任一项所述的风能设备，其特征在于，附加地设有计时部分(46)，它给定用于加热装置(23，33)的最小接通时间，并且锁住输出装置(45)直至其期满。

5.如权利要求1至3中任一项所述的风能设备，其特征在于，设有多个加热装置(23，33)以用于风能设备的不同区域。

6.如权利要求5所述的风能设备，其特征在于，设有加热装置以用于顶箱(21)、底箱(20)和/或USV单元(18)。

7.如上述权利要求1至3中任一项所述的风能设备，其特征在于，在风能设备的俯仰模块(3)上的加热装置(33)中设有自己的温度传感器即第二温度传感器(34)。

8.如权利要求7所述的风能设备，其特征在于，第二温度传感器(34)并联有时间继电器(35)，该时间继电器(35)在可调整的时间以后触发。

9.如上述权利要求1至3中任一项所述的风能设备，其特征在于，如果任意部件上的温度低于由运行者确定的阈值，则控制单元(40)操纵加热装置(33)。

10.如上述权利要求1至3中任一项所述的风能设备，其特征在于，设有环境温度传感器(44)，它与旁路模块(48)共同作用，其在环境温度超过确定的外界温度时直接释放输出装置(45)。

11.如权利要求10所述的风能设备，其特征在于，设有再加热模块(47)，它根据外界温度在输出释放信号以后也仍然进行再加热。

12.如权利要求11所述的风能设备，其特征在于，所述再加热模块(47)包括温度监控器(42)，它与控制单元(40)这样共同作用，即，在运行中在低于极限温度时操纵加热装置(33)。

13.如权利要求12所述的风能设备，其特征在于，内部温度传感器作为输入信号施加在温度监控器(42)上。

14.一种用于使风能设备运行的方法，该风能设备具有塔柱(10)、设置在塔柱上的吊舱(11)，用于给出电能的逆变器(15)和控制装置(16)，此吊舱(11)包括风转子(12)和由其驱动的发电机(14)，其中风能设备的至少一个部件被加热，其特征在于，

监控用于运行输入的信号，

操纵用于加热风能设备的至少一个部件的加热装置，

监控所达到的温度，以及

在达到确定的阈值时触发控制信号，

以由此将释放信号传递到控制装置上，用于使风能设备加速，

其中，监控电网的状态且在识别到恢复供电时操纵加热装置。

15.一种用于使如权利要求2至13中任一项所述的风能设备运行的方法，其特征在于，

监控用于运行输入的信号，

操纵用于加热风能设备的至少一个部件的加热装置，

监控所达到的温度，以及

在达到确定的阈值时触发控制信号，

以由此将释放信号传递到控制装置上，用于使风能设备加速，

其中，监控电网的状态且在识别到恢复供电时操纵加热装置。

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