CN101929431A - 风力涡轮及用于优化其中的能量产生的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风力涡轮及用于优化其中的能量产生的方法。提供了一种风力涡轮(100)。该风力涡轮包括多个转子叶片(112)、操作性地联接到该多个转子叶片中的相应的转子叶片上的主动式流动控制装置，以及以通讯的方式联接到主动式流动控制装置上且配置成以便基于发电机速度、转子叶片桨距设置和主动式流动控制装置设置来优化风力涡轮中的能量产生的控制系统(200)。该控制系统包括处理器(202)，其编程为以便使该多个转子叶片朝向全操作位置(262)变桨，且根据发电机速度和转子叶片桨距设置来使用主动式流动控制装置，以有助于保持预定的发电机额定功率水平(536)。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮及用于优化其中的能量产生的方法。
背景技术
在一方面，提供了一种用于优化风力涡轮中的能量产生的方法。该方法包括使多个转子叶片变桨到全操作角，以及根据发电机速度和转子叶片桨距设置来使用主动式(active)流动控制装置，以有助于保持预定的发电机额定功率水平。在使该多个转子叶片变桨到全操作角之前，该方法可进一步包括确定足以使得能够进行功率产生的风速(在一段持续时间上测量风速)，而且，如果确定风速足以使得能够进行功率产生，则使该多个转子叶片变桨到最小操作角。根据发电机速度和转子叶片桨距设置来使用主动式流动控制装置可进一步包括：在实现风力涡轮的发电机额定功率之前启动该主动式流动控制装置，在实现风力涡轮的额定速度之后，将该主动式流动控制装置调节到全操作模式，并且在实现发电机额定功率之后，从全操作模式起调节该主动式流动控制装置。将主动式流动控制装置调节到全操作模式可包括根据该多个转子叶片的桨距和该多个转子叶片的旋转速度中的至少一个来调节该主动式流动控制装置。在启动主动式流动控制装置之后，该方法还可包括使该多个转子叶片朝向顺桨位置变桨。从全操作模式起调节主动式流动控制装置还可包括调节该主动式流动控制装置、同时基本同时地使多个转子叶片朝向顺桨位置变桨其中至少一种。在达到风力涡轮的预定的切出速度之后，该方法可进一步包括使该多个转子叶片朝向完全顺桨位置变桨，以有助于防止对风力涡轮造成损害。在启动主动式流动控制装置之后，该方法可进一步包括将多个转子叶片的桨距保持在小于全操作角的角度处。
在另一方面，提供了一种操作风力涡轮的方法。该方法包括将主动式流动控制装置操作地性联接到风力涡轮内的控制系统上，使多个转子叶片变桨到全操作角，以及在实现风力涡轮的发电机额定功率之前启动主动式流动控制装置。在实现风力涡轮的额定速度之后，该方法包括使该主动式流动控制装置提高到全操作模式。在实现发电机额定功率之后，该方法包括使该主动式流动控制装置从全操作模式起降低。在使多个转子叶片变桨到全操作位置之前，该方法可进一步包括确定足以使得能够进行功率产生的风速(在一段持续时间上测量风速)，而且，如果确定风速足以使得能够进行功率产生，则使该多个转子叶片变桨到最小操作角。将该主动式流动控制装置调节到全操作模式可包括根据该多个转子叶片的桨距和该多个转子叶片的旋转速度中的至少一个来调节该主动式流动控制装置。在启动主动式流动控制装置之后，该方法可进一步包括使该多个转子叶片朝向顺桨位置变桨。从全操作模式起调节该主动式流动控制装置可包括调节该主动式流动控制装置、同时基本同时地使该多个转子叶片朝向顺桨位置变桨其中至少一种。在达到该风力涡轮的预定的切出速度之后，该方法还可包括使该多个转子叶片朝向完全顺桨位置变桨，以有助于防止对该风力涡轮造成损害。在启动主动式流动控制装置之后，该方法可进一步包括将该多个转子叶片的桨距保持在小于全操作角的角度处。
在又一方面，提供了一种风力涡轮。该风力涡轮包括多个转子叶片、操作性地联接到相应的转子叶片上的主动式流动控制装置，以及以通讯的方式联接到该主动式流动控制装置上且配置成以便基于发电机速度、转子叶片桨距设置和主动式流动控制装置设置来优化该风力涡轮中的能量产生的控制系统。该控制系统包括处理器，该处理器编程为以便使该多个转子叶片变桨到全操作角，并且在实现该风力涡轮的发电机额定功率之前启动该主动式流动控制装置。在实现该风力涡轮的额定速度之后，处理器编程为以便将该主动式流动控制装置调节到全操作模式。在实现发电机额定功率之后，处理器编程为以便从全操作模式起降低该主动式流动控制装置。处理器可进一步编程为以便在实现该风力涡轮的发电机额定功率之前启动该主动式流动控制装置；在实现该风力涡轮的额定速度之后，将该主动式流动控制装置调节到全操作模式；以及在实现发电机额定功率之后，从全操作模式调节该主动式流动控制装置。在使该多个转子叶片变桨到全操作位置之前，处理器可编程为以便在一段持续时间上测量风速，以确定足以使得能够进行功率产生的风速，而且，如果确定风速足以使得能够进行功率产生，则使该多个转子叶片变桨到最小操作角。编程为以便将该主动式流动控制装置调节到全操作模式的处理器可包括根据该多个转子叶片的桨距和该多个转子叶片的旋转速度中的至少一个以步进式增量或基本持续的调节量其中一种来调节该主动式流动控制装置。在启动主动式流动控制装置之后，该处理器可进一步编程为以便使该多个转子叶片朝向顺桨位置变桨。编程为以便从全操作模式起调节该主动式流动控制装置的处理器可包括编程为以便执行以下中的至少一个的处理器：基本持续地、线性地和非线性地调节该主动式流动控制装置，以及基本同时使该多个转子叶片朝向顺桨位置变桨。在达到该风力涡轮的预定的切出速度之后，该处理器可编程为以便使该多个转子叶片朝向完全顺桨位置变桨，以有助于防止对该风力涡轮造成损害。
一种用于提高风力涡轮的能量输出的有效方法是例如通过增大转子大小(直径)来增大叶片的扫掠面积。但是，由于结构和材料限制，转子大小可受叶片/塔架间距以及较大的转子上的较高的系统载荷的约束。另一个挑战是由于变化的风况造成的，例如在所产生的升力波动或增大到非常大的水平时导致风力涡轮叶片的不期望的动态加载的阵风或暴风。这些载荷约束通常导致风力涡轮系统的叶片和其它构件的成本提高，这可在系统级衡量标准(例如能量成本)方面减少或抵消增大转子的好处。
发明内容
在一方面，提供了一种用于优化风力涡轮中的能量产生的方法。该方法包括使多个转子叶片变桨到全操作角，以及根据发电机速度和转子叶片桨距设置来使用主动式流动控制装置，以有助于保持预定的发电机额定功率水平。
在另一方面，提供了一种操作风力涡轮的方法。该方法包括将主动式流动控制装置操作性地联接到风力涡轮内的控制系统上，使多个转子叶片变桨到全操作角，以及在实现该风力涡轮的发电机额定功率之前启动主动式流动控制装置。在实现该风力涡轮的额定速度之后，该方法包括使该主动式流动控制装置提高到全操作模式。在实现发电机额定功率之后，该方法包括从全操作模式起降低该主动式流动控制装置。
在又一方面，提供了一种风力涡轮。该风力涡轮包括多个转子叶片、操作性地联接到相应的转子叶片上的主动式流动控制装置，以及以通讯的方式联接到该主动式流动控制装置上且配置成以便基于发电机速度、转子叶片桨距设置和主动式流动控制装置设置来优化该风力涡轮中的能量产生的控制系统。该控制系统包括处理器，该处理器编程为以便使该多个转子叶片变桨到全操作角，并且在实现该风力涡轮的发电机额定功率之前启动该主动式流动控制装置。在实现该风力涡轮的额定速度之后，处理器编程为以便将该主动式流动控制装置调节到全操作模式。在实现发电机额定功率之后，该处理器编程为以便从全操作模式起降低该主动式流动控制装置。
附图说明
参照下列附图对非限制性和非穷尽的实施例进行描述，其中，同样的参考标号在所有各幅图中表示同样的部件，除非另有规定。
图1是示例性风力涡轮的侧面透视图。
图2是与图1所示的示例性风力涡轮一起使用的机舱的局部截面透视图。
图3是图1所示的风力涡轮的转子毂的一部分的截面图，其示出了用于改变图1所示的风力涡轮的转子叶片的桨距的变桨系统的一个示例性实施例。
图4是与图1所示的示例性风力涡轮一起使用的一种示例性风力涡轮叶片组件的截面图。
图5是与图1所示的示例性风力涡轮一起使用的一个备选的风力涡轮叶片组件的截面图。
图6是示出了关于风速度的风力涡轮操作状态的图表，其中，风力涡轮速度和叶片变桨计划表控制功率产生。
图7是示出了使用主动式流动控制(AFC)装置的关于风速度的风力涡轮操作状态的图表，其中，风力涡轮速度和叶片变桨计划表控制功率产生。
具体实施方式
图1是示例性风力涡轮100的透视侧面图。在该示例性实施例中，风力涡轮100是水平轴风力涡轮。或者，风力涡轮100可为竖直轴风力涡轮。风力涡轮100具有延伸自支承面104的塔架102、联接到塔架102上的机舱106，以及联接到机舱106上的转子108。转子108具有可旋转的毂110和联接到毂110上的多个转子叶片112。在该示例性实施例中，转子108具有三个转子叶片112。或者，转子108具有使得风力涡轮100能够如本文所描述的那样起作用的任何数量的转子叶片112。在该示例性实施例中，塔架102由管状钢材制成，且具有在支承面104和机舱106之间延伸的腔体(未在图1中显示)。或者，塔架102是使得风力涡轮100能够如本文所描述的那样起作用的任何塔架，包括但不限于格栅塔架。塔架102具有使得风力涡轮100能够如本文所描述的那样起作用的任何适当的高度。
转子叶片112定位在毂110周围，以有助于使转子108旋转，从而将来自风124的动能转换成可使用的机械能，并且随后转换成电能。转子108和机舱106在偏航轴线116上绕着塔架102旋转，以控制转子叶片112相对于风124的方向的投影(perspective)。转子叶片112通过在多个载荷传递区122处将叶片根部部分120联接到毂110上来与毂110匹配。载荷传递区122具有毂载荷传递区和叶片载荷传递区(两者均未在图1中显示)。在转子叶片112中引起的载荷通过载荷传递区122传递到毂110上。各个转子叶片112还包括叶尖部分125。
在该示例性实施例中，转子叶片112具有介于30米(m)(98英尺(ft))和100m(328ft)之间的长度，但是这些参数不对本公开形成限制。或者，转子叶片112可具有使得风力涡轮100能够如本文所描述的那样起作用的任何长度。当风124撞击各个转子叶片112时，在各个转子叶片112上引起叶片升力(未显示)，且当各个转子叶片112和叶尖部分125加速时，引起转子108绕着旋转轴线114的旋转。可由桨距调节机构(未在图1中显示)改变转子叶片112的桨距角(未显示)，即确定各个转子叶片112相对于风124的方向的投影的角度。特别地，增大转子叶片112的桨距角会减小相应的转子叶片112的暴露于风124的叶片表面积126(即减小翼型件迎角，并且由此减小施加在转子叶片112上的升力)。相反，减小叶片112的桨距角会增大相应的转子叶片112的暴露于风124的叶片表面积126(即增大翼型件迎角，并且由此在没有失速的情况下增大升力)。
例如，约0度的叶片桨距角(有时称为“动力位置”)使相当大的百分比的叶片表面积126暴露于风124，从而导致在叶片112上引起第一升力值。类似地，约90度的叶片桨距角(有时称为“顺桨位置”)使低得多的百分比的叶片表面积126暴露于风124，从而导致在叶片112上引起第二升力值。在转子叶片112上引起的第一升力值大于在转子叶片112上引起的第二升力值，从而使得升力值与暴露于风124的叶片表面积126(即翼型件迎角)成比例。因此，在转子叶片112上引起的升力值与叶片桨距角的值成比例。
而且，例如，当叶片升力增大时，转子叶片112和叶尖部分125的旋转速度增加。相反，当叶片升力减小时，转子叶片112和叶尖部分125的旋转速度降低。因此，叶尖部分125的线速度的值与在转子叶片112上引起的升力值成比例，且由此可见转子叶片112和叶尖部分125的旋转速度与叶片桨距角成比例。
另外，当转子叶片112和叶尖部分125的旋转速度增加时，来自叶片112的声发射(未在图1中显示)的幅度(未显示)增大。相反，当转子叶片112和叶尖部分125的旋转速度降低时，来自转子叶片112的声发射的幅度减小。因此，来自转子叶片112的声发射的幅度与转子叶片112和叶尖部分125的旋转速度成比例，且由此可见来自转子叶片112的声发射的幅度与叶片桨距角成比例。
绕着各个叶片112的变桨轴线118调节转子叶片112的桨距角。在该示例性实施例中，单独控制转子叶片112的桨距角。或者，可作为组来控制桨距角。在又一个备选实施例中，可调整转子叶片112的桨距以及转子叶片112的速度，以便降低声发射。在一个实施例中，可通过本地控制器(未显示)或经由远程控制器(未显示)远程地控制风力涡轮100来降低潜在的声发射，以便减小噪声。
图2是示例性风力涡轮100的机舱106的截面透视图。风力涡轮100的各种构件容纳在风力涡轮100的塔架102顶部上的机舱106中。毂110包括多个变桨驱动机构，其中，一个变桨驱动机构130联接到一个叶片112(在图1中显示)上。变桨驱动机构130调整相关联的叶片112沿着变桨轴线118的变桨。对于具有三个转子叶片112的示例性风力涡轮100，在图2中仅显示了三个变桨驱动机构130中的一个，其中，各个变桨驱动机构130包括至少一个变桨驱动马达131。变桨驱动马达131是使得变桨驱动机构130能够如本文所描述的那样起作用的、由电功率驱动的任何电动马达。或者，变桨驱动机构130包括任何适当的结构、构造、布置和/或构件，例如但不限于液压缸、弹簧和伺服机构。另外，变桨驱动机构130可通过任何适当的方式驱动，例如但不限于，液压流体和/或机械动力(例如但不限于诱生的弹簧力和/或电磁力)。
机舱106还包括通过转子轴134(有时称为低速轴)、齿轮箱136、高速轴138和联接件140可旋转地联接到定位在机舱106内的发电机132上的转子108。转子轴134的旋转可旋转地驱动齿轮箱136，齿轮箱136随后可旋转地驱动高速轴138。高速轴138通过联接件140可旋转地驱动发电机132，且高速轴138旋转导致发电机132产生电功率。齿轮箱136和发电机132分别由支承件142和144支承。在该示例性实施例中，齿轮箱136使用多载荷路径齿轮布置来驱动高速轴138。或者，在直接驱动构造中，主转子轴134联接到发电机132上。
机舱106进一步包括偏航驱动组件146，使用该偏航驱动组件146来使机舱106和转子108在轴线116(在图1中显示)上旋转，以控制转子叶片112相对于风124的方向的投影，如本文更加详细地描述。机舱106还包括至少一个气象杆148。杆148包括风向标和风速计(两者在图2中均未显示)。杆148为涡轮控制系统(未显示)提供可包括风向和/或风速的信息。涡轮控制系统的一部分驻留在控制面板150内。在该示例性实施例中，机舱106包括前支承轴承152和后支承轴承154。或者，机舱106可包括使得风力涡轮100能够如本文所描述的那样起作用的任何数量的轴和轴承支承布置。支承轴承152和154提供转子轴134的径向支承和对准，以及使得能够将与转子108相关联的全部载荷传递到塔架102，并且最终传递到支承面104中。
风力涡轮100包括变桨控制系统200。在一个实施例中，变桨控制系统200的至少一部分定位在机舱106中。或者，变桨控制系统200的至少一部分定位在机舱106外部。特别地，本文描述的变桨控制系统200的至少一部分包括至少一个处理器202和存储装置(未显示)，以及至少一个输入/输出(I/O)导线管204，其中，I/O导线管204包括至少一个I/O通道(未显示)。更特别地，处理器202定位在控制面板150内。变桨控制系统200基本提供了本文所描述的风力涡轮噪声减小的技术效果。
如本文所用，术语处理器不限于在本领域中称为计算机的集成电路，而是宽泛地指微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程的电路，且这些术语在本文中可互换地使用。在本文描述的实施例中，存储器可包括但不限于诸如随机存取存储器(RAM)的计算机可读介质，以及诸如闪存的计算机可读的非易失性介质。或者，也可使用软盘、压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)以及/或者数字多功能盘(DVD)。而且，在本文描述的实施例中，额外的输入通道可包括但不限于与操作者接口相关联的计算机外围设备，例如鼠标和键盘。或者，也可使用可包括但不限于扫描仪的其它计算机外围设备。另外，在该示例性实施例中，额外的输出通道可包括但不限于操作员接口监视器。
如本文所描述的处理器202和其它处理器(未显示)处理传输自多个电气装置和电子装置的信息，该多个电气装置和电子装置可包括但不限于叶片变桨位置反馈装置206(在下面进一步描述)和电功率发生反馈装置(未显示)。RAM和储存装置(未显示)储存和传送待由处理器202执行的信息和指令。还可使用RAM和储存装置来在处理器202执行指令期间储存临时变量、静态和动态(即不变的和变化的)信息和指令或其它中间信息以及将它们提供给处理器202。所执行的指令包括但不限于常驻的叶片变桨系统200控制命令。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何特定的组合。
在该示例性实施例中，变桨控制系统200的至少一部分-包括但不限于处理器202，定位在控制面板150内。此外，处理器202通过至少一个I/O导线管204联接到叶片变桨驱动马达131上。I/O导线管204包括具有任何构架的任何数量的通道，包括但不限于Cat5/6线缆、双绞线和无线通讯特征。变桨控制系统200可包括分布式和/或集中式控制构架。
变桨控制系统200还包括通过至少一个I/O导线管204与处理器202联接的多个独立的叶片变桨位置反馈装置206。在该示例性实施例中，各个变桨驱动机构130与单个叶片变桨位置反馈装置206相关联。或者，任何数量的叶片变桨位置反馈装置206可与各个变桨驱动机构130相关联。因此，在该示例性实施例中，变桨驱动机构130和关联的驱动马达131以及叶片变桨位置反馈装置206包括在本文所描述的系统200中。各个叶片变桨位置反馈装置206测量各个叶片112的变桨位置，或者更具体地测量各个叶片112相对于风124(在图1中显示)和/或相对于毂110的角度。叶片变桨位置反馈装置206可包括具有在风力涡轮100内或远离风力涡轮100的任何适当定位的任何适当的传感器，例如但不限于，光学角度编码器、磁性旋转编码器以及增量式编码器或它们的一些组合。此外，叶片变桨位置反馈装置206将基本表示相关联的叶片112变桨位置的变桨量度信号(未显示)传输到处理器202，以便对其进行处理。
图3是示出了示例性变桨驱动机构130的毂110的截面图。在该示例性实施例中，变桨驱动机构130操作性地联接到处理器202(在图2中显示)上，以便于藉此进行控制，且变桨驱动机构130包括具有变桨传动齿轮252和变桨环形齿轮254的至少一个变桨促动器250，变桨传动齿轮252和变桨环形齿轮254操作性地联接到毂110和转子叶片112上。在风力涡轮操作期间，变桨促动器250通过使转子叶片112相对于毂110旋转来改变转子叶片112的桨距角，如在本文中更加详细地描述。更具体地说，变桨环形齿轮254联接到转子叶片112上，从而使得变桨传动齿轮252的旋转使转子叶片112绕着旋转轴线256旋转，从而改变转子叶片112的桨距。在一个备选实施例中，变桨促动器250可包括使得变桨驱动机构130能够如本文描述的那样起作用的任何适当的结构、构造、布置和/或构件，包括但不限于电动马达、液压缸、弹簧和/或伺服机构。此外，变桨促动器250可由任何适当的系统驱动，包括但不限于液压流体、电功率、电化学动力和/或机械动力(诸如，例如弹簧力)。
在该示例性实施例中，在0英里/小时(MPH)但低于切入速度的风速度处，转子叶片112定位在完全顺桨位置260处，即完全变桨到接近的风124中，且发电机转子速度等于或约等于0转/分钟(RPM)。当风速度增大到切入速度时，转子叶片112变桨到全操作位置262。刚好在切入速度之前，转子叶片112将变桨到中间位置264，以有助于加强转子轴速度的增加，如在本文中更加详细地描述。
变桨促动器250可由从转子108的旋转惯量中提取的能量和/或在联接到风力涡轮100上的电气载荷和/或动力源中的异常期间对风力涡轮100的构件(例如但不限于变桨驱动机构130)供应能量的存储能量源(未显示)驱动。例如，电气载荷和/或动力源中的异常可包括但不限于动力故障、欠压状态、过压状态和/或超出频率状态。因而，存储能量源使得转子叶片112能够在异常期间进行变桨。虽然可使用其它存储能量源，但是在一些实施例中，存储能量源包括液压蓄能器、发电机、存储的弹簧能、电容器和/或电池。存储能量源可位于风力涡轮100内、风力涡轮100上、风力涡轮100附近和/或风力涡轮100远处的任何地方。在一些实施例，存储能量源存储从转子108的旋转惯量中提取的能量和/或其它辅助能量源，例如但不限于，联接到风力涡轮100上的辅助风力涡轮(未显示)、太阳能电池板和/或水力发电设备。
图4是适于与图1所示的示例性风力涡轮100一起使用的示例性风力涡轮叶片组件300的截面图。在该示例性实施例中，流动分离被多个主动式流动修改装置302(诸如，例如吹流或吸流、压电合成式射流或零净质量促动器、诸如双重双压电晶片合成射流(DBSJ)装置的其它合成射流装置，或它们的任何组合)抑制(例如减少和/或延迟)。在一个备选实施例中，可使用非零质量的流动促动装置，例如“突然改向的(flip-flop)”或交替的射流、提供脉冲调制的速度射流以及吹流或吸流的射流振荡器。
流动分离点表示为与上游位置306相对而处于位置304处，在位置304处，其将在没有主动式流动修改的情况下自然地产生。在该示例性实施例中，通过引入基本沿着邻近叶片的风流具有较大的动量和涡度分量的稳定的或不稳定的(时间依赖性的)射流308来抑制流动分离。射流308以已知为“切变层混合”的过程的形式在邻近叶片的风流中增加动量和涡度。当涡度和动量由主动式流动修改增加时，至少部分地对边界层的动量不足重新供给能量，且流动分离受到抑制，且增强了可用的升力。其中分离已被抑制的空气流协助为转子叶片112增加升力，从而对于给定的叶片长度提高涡轮的性能，或者对于给定水平的性能减小可能需要的叶片弦尺寸。更具体地说，本文所描述的示例性风力涡轮100使得能够用减小的弦尺寸来更换增大的叶片长度，从而对于相同的或更低的叶片重量(即赋予风力涡轮100的转子108载荷)产生增大的能量产量。主动式流动修改装置302可以特定的射流-入射流比率和相对于邻近转子叶片112的风流的特定的射流角来增加或减少动量和涡度，其中，这种角度可根据期望的性能状态范围而变化。
图5是适于与图1所示的示例性风力涡轮100一起使用的一个备选风力涡轮叶片组件400的截面图。在该示例性实施例中，主动式流动修改装置402促进流动分离。例如，流动分离点表示为与下游位置406相对而处于位置404处，在位置404处，其将在没有主动式流动修改的情况下自然地产生。通过引入具有基本中断邻近转子叶片112的风流的较大的动量分量的稳定的或不稳定的射流408来促进流动分离。稳定的或不稳定的射流408起动邻近叶片的风流中的流动分离。在该示例性实施例中，射流408可为阻碍邻近叶片的自然风流的偏斜的射流。受到促进的流动分离导致降低的升力，且可有利地采用该受到促进的流动分离来减轻风力涡轮操作期间的不合需要的加载状态。这种不合需要的状态包括导致转子叶片112的增大的加载(增加的升力)以及风力涡轮100上的附带影响的增大的风流速度的情况。在图5中显示且在本文中描述的实施例提供了(即，使得可以)通过主动地修改邻近转子叶片112的风流而在某些情况下几乎立即人工地降低升力。主动式流动修改装置402可以特定的射流-入射流比率、并且以相对于邻近转子叶片112的风流的特定的角度来增加中断性动量，且这种角度可根据期望的性能状态范围而变化。
图6是示出了风力涡轮操作状态502的图表500，其中，风力涡轮叶片桨距关于风速度而有所不同，以有助于涡轮操作，在该示例性实施例中，涡轮操作包括控制发电机速度和功率产生(如本文更加详细地描述)。更具体地说，图6示出了随风速度506变化的功率曲线504、随风速度506变化的风力涡轮发电机速度图示508，以及随风速度506变化的风力涡轮转子变桨图示510。在该示例性实施例中，在0英里/小时(MPH)520但低于切入速度526的风速度处，转子叶片112定位在完全顺桨位置522上，即完全变桨到接近的风124中，且发电机转子速度524等于或约等于0转/分钟(RPM)。或者，在略微大于0MPH520的风速度处，转子叶片112可定位在中间叶片角530处，例如诸如从完全顺桨位置522至全操作叶片角528的总桨距范围的约24％。
在该示例性实施例中，当风速度增大到切入速度526时，转子叶片112变桨到为约0°的全操作位置528。在该示例性实施例中，刚好在切入速度526之前，转子叶片112将变桨到中间位置530，以有助于增强转子轴速度的增加。在一个备选实施例中，转子叶片112可不在切入速度526之前变桨，而是可备选地保持完全顺桨位置522，直到达到切入速度526为止。
当风速度增大超过切入速度526时，实现切入状态532，且开始534可收费的功率产生(即发送到电网的电)。更具体地说，发电机132开始产生功率534，在该示例性实施例中，功率在切入状态532处为整个发电机额定值536的约2％(如在本文中更加详细地描述)。或者，发电机132产生使得风力涡轮100能够如本文所描述的那样起作用的任何量的功率。
在风速度增大到速度538而使得发电机132达到额定速度540时，转子叶片桨距继续保持542在全操作模式处，即约0°桨距构造。在该示例性实施例中，在风速度532和风速度538之间，功率产生544基本以风速度的三次方的方式增加，直到风速度有助于使发电机速度增加到表示风力涡轮100的额定功率水平536的点546为止。在该示例性实施例中，在风速度550处，转子叶片112开始朝向顺桨变桨552，从而使得功率产生保持在额定功率水平536处。在一个备选实施例中，可在调峰模式554中调整转子叶片112，以有助于在达到风力涡轮的额定功率水平536之前降低风力涡轮载荷。更具体地说，当在调峰模式554中时，在达到风力涡轮100的额定功率水平536之前，逐渐朝向顺桨构造556调整转子叶片112。
当风速达到切出速度560时，将转子叶片112调整到完全顺桨构造562(相当于完全顺桨位置522)，且发电机132达到切出状态564，其中，功率发生和发电机速度降低到约0，由点566指示。这种构造保护风力涡轮100免于由于超过风力涡轮构件的机械载荷(力和力矩)和扭矩限制而对这样的风力涡轮构件造成损害。
图7是示出了使用主动式流动控制(AFC)装置(诸如，例如图4所示的主动式流动修改装置302)的风力涡轮操作状态602的图表600，其中，风力涡轮叶片桨距关于风速度而有所不同，以有助于包括与功率产生配合来控制区679中的发电机速度的风力涡轮操作(如在本文中更加详细地描述)。更具体地说，图7示出了随风速度606变化的功率曲线604、随风速度606变化的风力涡轮发电机速度图示608、随风速度606变化的风力涡轮转子变桨图示610，以及随风速度606变化的AFC装置操作幅度图示612。在该示例性实施例中，在约0英里/小时(MPH)620的风速度处，转子叶片112定位成完全顺桨构造622，即完全变桨到接近的风124中，且发电机转子速度624等于或约等于0转/分钟(RPM)。或者，在略微高于0MPH620(但低于切入速度626)的风速度处，转子叶片112可定位在中间叶片角630处，例如诸如从完全顺桨位置622到全操作叶片角628的总变桨范围的约24％。
在该示例性实施例中，当风速度增大到切入速度626时，转子叶片112变桨到为约0°的全操作位置628。在该示例性实施例中，刚好在切入速度626之前，转子叶片112将变桨到中间位置630，以有助于增强转子轴速度的增加。在一个备选实施例中，转子叶片112可不在切入速度626之前变桨，而是可备选地保持完全顺桨构造622，直到达到切入速度626为止。
当风速度增大超过切入速度626时，实现切入状态632，且开始634可收费的功率产生(即发送到电网的电)。更具体地说，发电机132开始产生功率634，在该示例性实施例中，功率在切入状态632处为全发电机额定值636的约2％(如在本文中更加详细地描述)。或者，发电机132在切入状态632处产生使得风力涡轮100能够如本文描述的那样起作用的任何功率量。
当风速度增大超过切入状态632时，发电机RPM速度随之基本线性地637增加，且在启动风速638处，启动639主动式流动控制(AFC)装置。更具体地说，且在该示例性实施例中，在启动风速638处，以最小或基本最小的设置640启动639AFC装置，如在本文中更加详细地描述。基本在AFC装置的启动639的同时，处理器202略微朝向顺桨位置641(诸如，例如完全顺桨位置的5％-10％)调节转子叶片112，以有助于发电机速度在达到发电机额定速度642时的平稳过渡。在一个备选实施例中，使用不同的叶片设计，前述桨距调节可为相反的，且略微超过操作位置(即远离顺桨)。在启动639AFC装置之后，发电机速度随具体的叶片设计、与AFC装置启动639相关联的桨距和寄生功率要求的变化而略微减小644。当风速增大超过启动风速638时，发电机速度达到最小AFC过渡点646，且随AFC装置设置650的提高而自最小AFC过渡点646增大648。桨距设置保持652在全操作角以下的角度处，如本文所描述。
在该示例性实施例中，当风速度增大超过最小AFC过渡点646而到达速度654时，发电机132达到发电机额定速度642，且转子叶片桨距继续保持652在小于全操作位置628的角度处(如本文所描述)。在一个备选实施例中，使用不同的叶片设计，前述桨距调节可为相反的，且略微超过操作位置(即远离顺桨或大于全操作位置)。AFC装置提高到完全启动构造658，以有助于提高升力，同时基本阻止空气流从转子叶片112分离。在一个备选实施例中，AFC装置可持续地、线性地或非线性地提高660到全开构造，或以其任何组合的方式以预定增量步进到全开构造。
当风速度增大超过速度654而达到速度662时，发电机速度保持在额定速度664处，同时朝向约0°的全操作位置666调节转子叶片桨距，以根据功率曲线604来保持功率发生。在该示例性实施例中，当风速度增大超过速度662时，在调峰模式668中，结合AFC装置操作670的降低来调整转子叶片112，以有助于在达到风力涡轮100的额定功率水平672之前降低风力涡轮载荷。更具体地说，且在该示例性实施例中，当在调峰模式668中的同时，在随着功率发生接近额定功率水平672而基本同时降低AFC装置操作670的情况下达到风力涡轮100的额定功率水平672之后，逐渐朝向顺桨构造674调整转子叶片112。
当风速度606继续朝向切出速度680增大时，停用682AFC装置，且逐渐朝向完全顺桨构造622调整转子叶片112，且发电机速度达到切出状态684，其中，功率发生和发电机速度减小到约0，由点686指示。这种构造保护风力涡轮100免于由于超过风力涡轮构件的机械载荷(力和力矩)和扭矩限制而对这样的风力涡轮构件造成损害。
以上详细描述了主动式流动控制系统和操作策略的示例性实施例。用于实现这种主动式流动控制系统的上述方法有助于AFC装置的有效使用。更具体地说，本文描述的系统和方法使基本一致的AFC操作与转子叶片变桨控制结合，以有助于通过提高和降低转子叶片上的升力来减轻一致的和不一致的转子(风)级(scale)事件(即阵风)、风切变事件，以及本地噪声发生事件。这样的策略以在涡轮操作状态的范围上对AFC装置供以动力通常所需的低寄生功率消耗来提供最大能量产生。使用这种AFC系统进一步有助于提供在转子叶片的至少一部分上具有减小的弦长的转子叶片，继而使得在伴随有能量产生的增加而不会增加载荷的情况下实现增大的叶片长度(即增大的转子扫掠面积)，且在较宽的操作条件范围上提高叶片效率。这种构造有助于提高风力涡轮系统的总值，同时降低能量产生的成本。
虽然在用于在风力涡轮叶片上实施主动式流动控制系统的方法的上下文中对本文描述的设备和方法进行了描述，但要理解的是，设备和方法不限于风力涡轮应用。类似地，所示的系统构件不限于本文描述的具体实施例，而是相反，可与本文描述的其它构件独立地且分开地使用系统构件。
如本文所用，以单数叙述且前面有词语“一个”或“一种”的元件或步骤应当理解为不排除复数元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。另外，对本发明的“一个实施例”的参照并不意图解释为排除也结合了所叙述的特征的额外的实施例的存在。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。
Claims (7)
1.一种风力涡轮(100)，包括：
多个转子叶片(112)；
操作性地联接到所述多个转子叶片的相应的转子叶片上的主动式流动控制装置；以及
以通讯的方式联接到所述主动式流动控制装置上且配置成以便基于发电机速度、转子叶片桨距设置和主动式流动控制装置设置来优化所述风力涡轮中的能量产生的控制系统(200)，所述控制系统包括处理器(202)，所述处理器(202)编程为以便：
使所述多个转子叶片朝向全操作位置(262)变桨；以及
根据发电机速度和转子叶片桨距设置来使用主动式流动控制装置，以有助于保持预定的发电机额定功率水平(536)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮(100)，其特征在于，所述处理器(202)进一步编程为以便：
在实现所述风力涡轮的发电机额定功率(536)之前启动所述主动式流动控制装置；
在实现所述风力涡轮的额定速度之后，将所述主动式流动控制装置调节到全操作模式；以及
在实现所述发电机额定功率之后，从所述全操作模式起调节所述主动式流动控制装置。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮(100)，其特征在于，在使所述多个转子叶片(112)变桨到全操作位置之前，所述处理器(202)编程为以便：
在一段持续时间上测量风速，以确定足以使得能够进行功率产生的风速；以及
如果确定所述风速足以使得能够进行功率产生，则使所述多个转子叶片变桨到最小操作角。
4.根据权利要求2所述的风力涡轮(100)，其特征在于，编程为以便将所述主动式流动控制装置调节到全操作模式的所述处理器(202)包括根据所述多个转子叶片的桨距和所述多个转子叶片的旋转速度中的至少一个以步进式增量或基本持续的调节量其中一种来调节所述主动式流动控制装置。
5.根据权利要求2所述的风力涡轮(100)，其特征在于，在启动主动式流动控制装置之后，所述处理器(202)进一步编程为以便使所述多个转子叶片朝向顺桨位置(641)变桨。
6.根据权利要求2所述的风力涡轮(100)，其特征在于，编程为以便从所述全操作模式起调节所述主动式流动控制装置的所述处理器(202)包括编程为以便执行以下中的至少一个的所述处理器(202)：基本持续地、线性地和非线性地调节所述主动式流动控制装置，以及基本同时使所述多个转子叶片(112)朝向顺桨位置(641)变桨。
7.根据权利要求2所述的风力涡轮(100)，其特征在于，在达到所述风力涡轮的预定的切出速度之后，所述处理器(202)编程为以便使所述多个转子叶片(112)朝向完全顺桨位置(522)变桨，以有助于防止对所述风力涡轮的损害。
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