CN102084127A - 风力涡轮机的停机位置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将迎风式风力涡轮机控制到静止位置的方法，其中，这个方法包括将风力涡轮机(1)的机舱(2)转动到与操作位置相差角度(α)的静止位置的步骤，其中所述角度(α)大于120°。本发明还涉及一种用于迎风式风力涡轮机的控制系统，其中所述风力涡轮机(1)包括至少部分容纳转子的机舱(2)，并且所述机舱(2)邻近柱或者塔安置，使得所述机舱(2)能够相对于所述柱或者塔以可转动的方式运动，所述控制系统适于能够使所述机舱(2)转动到静止位置，所述静止位置与所述风力涡轮机(1)的操作位置分开，并且所述静止位置与所述操作位置之间的差别由角度(α)表示，所述角度(α)大于120°。

Description

风力涡轮机的停机位置
技术领域
本发明涉及一种将迎风式风力涡轮机控制到静止位置的方法，其中，这个方法包括将风力涡轮机(1)的机舱(2)转动到与操作位置相差角度(α)的静止位置的步骤。本发明还涉及一种用于迎风式风力涡轮机的控制系统，其中所述风力涡轮机(1)包括至少部分容纳转子的机舱(2)，并且所述机舱(2)邻近柱或者塔安置，使得所述机舱(2)能够相对于所述柱或者塔以可转动的方式运动，所述控制系统适于能够使所述机舱(2)转动到静止位置，所述静止位置与所述风力涡轮机(1)的操作位置分开，并且所述静止位置与所述操作位置之间的差别由角度(α)表示。
背景技术
风力涡轮机在操作中和在停工模式下，都会承受明显的风负载。期望在操作期间实现高水平的空气阻力，以尽可能多地利用风能来产生电流，但是当发电站因为维修停工时，由于过高或过低的风速或者其它原因，风负载会带来不期望的损坏和磨损的风险。
这个问题的解决方法已经在美国专利US 4,483,657(Kaiser)中使用，其中，能够快速到达静止位置，因为将转子叶子保持在相对于转子轴线成一个角度的位置上的锁止构件可以松开，从而叶片能够借助于风自身的力运动到横浆位置，在该横浆位置，空气阻力比在操作位置时低。缺点是该静止位置不稳定，因为当风以相对于转子轴线的一个水平角度吹过来时，产生偏航力。为了避免这个缺点，需要使转子轴线偏航成始终与风向的水平分量平行，这意味着转子位置的持续调整，但是这不是在所有情况下都是可能的，例如在断电时已经暂时失去偏航能力的情况下就不行。
在美国专利US 2009/0081041(Frese)中提出了另外一个解决方法，其中选择使整个涡轮机相对于发电装置附接于其上的柱或者塔转动，偏航电动机和制动器使涡轮机到达与风向垂直的位置，在该位置，转子叶片的空气阻力比在操作位置低。不过，由于这一变化，产生了力矩，其中风试图转动涡轮机，涡轮机上的应力以及通常用于将涡轮机相对于柱或者塔保持在位的偏航制动器上的应力，存在损坏所包含部件的风险。如果因为这种损坏而完全失去了制动力，则同时也失去了将涡轮机锁定在相对于柱或者塔的期望位置的可能性，这就给发电站的安全和有效的操作带来了困难。
因此需要一个更好的解决方法，用于减小风力涡轮机在停工模式下承受的应力，同时避免对重要部件造成损坏。
发明内容
本发明的一个目的是消除或者至少最小化上述问题，这通过根据权利要求1前序部分中的方法实现，其特征在于，静止位置和操作位置之间的角度α大于120°，优选大于150°，更优选大于170°。这样，可以实现稳定的静止位置，在该位置，风力涡轮机的转子轴线与风平行，但是在该位置不需要用大的力或者依赖于稳定的电流供应来将机舱保持在这个位置。通过借助于偏航电动机或者类似的装置将机舱保持在静止位置，能够获得有利的状态，其中具有最低可能的空气阻力，由此风力涡轮机上的风负载也最小。
根据本发明的一个方面，这个方法还包括将机舱保持在静止位置的步骤。由此，机舱要么借助于偏航制动器或者类似的减少会因为风的作用引起的枢转运动的装置，要么借助于主动地使机舱运动到期望静止位置并将其保持在那的偏航电动机，而被保持在位。
根据本发明的另一个方面，这个方法还包括持续感测风向的变化并根据风向校正机舱的位置的步骤。这样，可以保持其中机舱沿风向指向的静止位置，从而能够获得减小的空气阻力，由此降低了风力涡轮机结构上的负载。
根据本发明的再一个方面，本方法还包括使机舱的至少一个转子叶片成为横浆的步骤。这样，能够进一步减小空气阻力，并能够获得风力涡轮机结构上较低的负载。
根据本发明的另一方面，本方法还包括将机舱的转子锁定在竖直方向上的转动对称位置的步骤。这样，能够使得作用于转子叶片的风力最大可能程度地对称，从而能够降低在偏航方向上产生扭矩的风险。由此，机舱可以更容易地保持在静止位置，而不会增加制动器或者其它部件上的负载。
根据本发明的再一个方面，本方法还包括通过使用邻近机舱安置的至少一个偏航电动机来实现转动到静止位置的步骤。这样，运动能够可控地且精确地进行，并且不受风力和其它外部因素的影响。
根据本发明的另一个方面，本方法还包括借助风力自身来实现转动到静止位置的步骤。这样，能够节省在其它方法中控制转动所需要的能量消耗，而且，能够使系统故障安全，从而即使是因为造成断电或者类似后果的故障引起从工作位置停止，也能够具有静止位置。
附图说明
下文将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明在操作位置的风力涡轮机的优选实施方式的示意图；以及
图2示出了图1中的风力涡轮机处于静止位置的示意图。
具体实施方式
图1示出了从上方看时根据本发明的迎风式风力涡轮机1的优选实施方式的示意图。风力涡轮机1包括直接安置在柱或者塔(未示出)之上的机舱2。上述机舱2至少部分容纳转子，转子包括轴毂4，而轴毂4上安装有至少一个、优选是两个或者三个转子叶片3。通过上述转子叶片3的转动，吹到风力涡轮机上的风的能量被以动能的形式捕获，其中，安置在机舱2中的发电机将这个运动转化为电能，用于直接用于电力网，或用于储存等。在图中，风的方向由箭头5和沿机舱2延伸的轴线A指示，在这个操作模式下，机舱的轴毂4和转子叶片3定位成使得轴毂4基本上正对着风向。这个位置可以叫做风力涡轮机1的工作位置或者操作位置。
将风力涡轮机1描绘成迎风式风力涡轮机的事实，意味着具有转子叶片3和轴毂4的转子在操作中定位成使得轴毂4的尖端正对着风，如图1中示出的操作位置所示。与之相对的是顺风式风力涡轮机，其中，转子叶片被机舱部分地覆盖。
图2示出了同一风力涡轮机的示意图，其中风力涡轮机1处于静止位置。具有转子叶片3的轴毂4已经转动，从而其指向沿着风的方向，也就是沿着轴线A但是远离风的方向。这种位置的改变意味着机舱2在偏航方向上的转动，也就是说基本上水平地转动，导致转子在静止位置与操作位置的上述转子的位置相比成一个角度α，这个角度α相对于图1中的操作位置至少是120°，优选是150°，更优选是至少170°，但理想地是大约180°。
因此，从操作位置到静止位置的运动也可以说是在偏航方向上的运动，其中机舱2在水平面内围绕柱或者塔转动。静止位置是这样一个位置：风力涡轮机1上的负载比在操作位置时低，并且当期望风力涡轮机1处在静止时，机舱2可以定位在这个位置。
现在将更详细描述风力涡轮机1的操作，特别是关于从操作位置到静止位置的改变。
在风力涡轮机的操作过程中，机舱2通常朝向风，如图1所示，从而用箭头5标示的风向基本上沿轴线A与机舱2平行地延伸。在该位置，转子叶片3基本上与这个风向正交，这样，能够实现高的空气阻力。通过给转子叶片3选择适合的偏转角，可以选择有利于产生电流的转动速度。可以邻近转子叶片、邻近机舱2或者以邻近风力涡轮机1的其他方式设置用于感测风向的风向传感器(未示出)。例如，通过定期测量风的方向，可使机舱2转动从而能够达到最有利的迎风角，因此达到的位置可以叫做风力涡轮机的操作位置。
在某些情况下，不使风力涡轮机1操作会是有利的。这可能是在如下时期：风力过弱或者过强而使风力涡轮机1不能操作，用于对发电站1进行维护或维修的预定休息时期，或者是因为事故或者损坏造成的紧急停机。在这样的情况下，有利的是使风力涡轮机1处于静止位置，在该静止位置，发电站1本身(包括支撑机舱2的柱或者塔)上的负载比发电站操作时低，并且在该位置可以确保发电站1处于静止，从而不存在转子叶片3的意外转动或者机舱2的非期望偏航运动的风险。在这些情况下，风力涡轮机1的控制系统可以适于尽快地通过几个步骤使机场到达期望的静止位置。
在第一个步骤中，通过使转子叶片3横浆而使叶片3减速，使得它们产生最小的、或者至少是显著减小的空气阻力。诸如机械或者电子制动器的制动系统也可以用来保证运动在静止位置停止，在该静止位置，转子叶片3相对于机舱2根本不运动。当叶片因此闲置时，可以通过合适的叶片锁来把它们锁定在沿竖直方向对称的位置上，例如如果发电站1有两个转子叶片3，就竖直地或者水平地锁定，或者，如果发电站1具有三个或者更多个转子叶片3，就使其中一个叶片笔直向上或向下，如此类推。由于该对称位置，作用于转子叶片3的风力变为关于竖直轴线对称，这使得因为在转子的不同部分或者转子叶片3上的风力不均匀而产生扭矩的风险最小化。
当转子叶片3已经因此减速并停止在期望位置时，使用偏航电动机或者类似的系统来在偏航方向上以可控制的方式转动机舱2，从而使机舱2处于这样的位置：轴毂4的尖端远离来风的方向，如图2所示，并且相对于图1中的位置的角度α达到约180°。在这种情况下，使用偏航电动机来使机舱取向成处于直接远离风的合适位置，并且，在这种情况下，偏航制动器可以把机舱锁定在期望位置，或者可以使用偏航电动机主动地将机舱保持在位。如果在预定停机期间使用偏航制动器，则可以继续定期感测风向、允许机舱2相应地偏航、然后再次被锁定在期望位置的操作。
在需要紧急停止的情况下，用于使风力涡轮机1到达静止位置的系统可以是纯机械的设计，从而即使整个发电站都断电，从操作位置到静止位置的运动也是可能的。通过故障安全的制动器，转子叶片3可以被减速并锁定在横浆的对称位置，并且在该偏航制动器中可以发生机舱2转动到α接近180°的位置，或者在操作期间将机舱2保持在位的类似部件放开，从而机舱2能够自由运动。由于风的作用，上述机舱2然后将转动直到到达停止位置，要么顺时针要么逆时针转动，这取决于提供了最容易的转动。当已经到达停止位置时，风本身就可以将机舱2保持在该位置，直到再次期望重新起动发电站1的操作，但是在有利的情况下，该位置通过致动偏航电动机等来保持。
在从操作位置到静止位置运动的过程中，特别是这种转动由风力控制时，转动的速度可能会导致机舱2转过超过静止位置，因此需要进行校正将其转回，但是这种校正也可以通过风力自身发生。如果期望，可以使用制动因素，例如在紧急停止的情况下主动地或者自动应用地使用的偏航制动器，来减缓转动运动，从而这种过度转动不会出现，或者使得其与不在此情况下相比大幅度变小。这样的转动运动或者过度转动也可能在达到静止位置之后发生，为了减小这种现象，可以在风力涡轮机处于其静止位置时期的全过程或部分时间内应用偏航制动器。
上文用于使风力涡轮机1到达静止位置的步骤可以按与上述顺序不同的顺序来进行，或者进行集成使得多个步骤同时进行。例如，叶片3的横浆可以与机舱2的偏航运动同时进行。
应该注意的是，角度α可以顺时针测量，如图2所示，也可以逆时针测量，但是，上述指出的角度值意于用于这些顺时针角度和逆时针角度中最小的角度。相对于操作位置顺时针成270°的角度意味着在同样的位置产生逆时针90°的角度，这表示角度α取值为这些角度值中的较小值，就是说90°。因此，这个角度小于在本发明的范围内指示适于静止位置的目标值。
本发明并不限于上面描述的优选实施方式，而是如本领域技术人员了解的，能够在所附权利要求的范围内变化。例如，所包括的部件可以彼此集成或者就它们的设计和位置进行改变，并且用来使风力涡轮机达到静止位置的步骤可以按不同的顺序进行，或者集成进行，从而同时进行多个步骤。上述方法可以以不同的方式来启动，例如，通过断电或者其它突发状况，通过来自控制系统的控制信号，或者在预定的时间点，例如，可以使用不同类型的电动机或者制动器来引起风力涡轮机的偏航运动。

Claims (16)

1.一种将迎风式风力涡轮机控制到静止位置的方法，其中，所述风力涡轮机(1)包括邻近柱或塔安置的机舱(2)，邻近所述机舱(2)安置有包括至少一个转子叶片(3)的转子，所述方法包括下列步骤：
a)通过在偏航方向上的运动使所述风力涡轮机(1)的机舱(2)转动到静止位置，在所述静止位置，所述机舱(2)的轴毂(4)转动成远离风，并且所述静止位置与操作位置相差角度(α)，其中所述角度(α)大于120°，并且所述方法的特征在于，
通过偏航电动机将所述风力涡轮机(1)主动地保持在所述静止位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述角度α大于150°。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述角度α大于170°。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括下列步骤：
b)将所述机舱(2)保持在所述静止位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括下面的步骤：
c)使所述风力涡轮机(1)的至少一个转子叶片(3)横浆。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括下面的步骤：
d)将所述风力涡轮机(1)的转子锁定在沿竖直方向的对称位置上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括下面的步骤：
e)通过使用至少一个与所述机舱(2)相连布置的偏航电动机来实现在a)步骤中的转动。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述方法还包括下面的步骤：
f)由于所述偏航制动器放开，使得所述机舱(2)能够自由运动，通过风力自身来实现在1)中的转动。
9.一种用于迎风式风力涡轮机的控制系统，其中所述风力涡轮机(1)包括邻近转子安置的机舱(2)，并且所述机舱(2)邻近柱或者塔安置，使得所述机舱(2)能够相对于所述柱或者塔以可转动的方式运动，所述控制系统适于能够使所述机舱(2)沿偏航方向转动到静止位置，在所述静止位置，所述机舱(2)的轴毂(4)转动成远离风，所述静止位置与所述风力涡轮机(1)的操作位置分开，并且所述静止位置与所述操作位置之间的差别由大于120°的角度(α)表示，其特征在于，所述控制系统包括至少一个偏航电动机，所述至少一个偏航电动机适于将所述机舱(2)主动地保持在所述静止位置。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述角度(α)大于150°。
11.根据权利要求9或10所述的控制系统，其中，所述角度(α)大于170°。
12.根据权利要求9-12中任一项所述的控制系统，其中，所述控制系统包括至少一个偏航制动器，所述至少一个偏航制动器适于通过抵制所述机舱(2)相对于所述柱或者塔的不期望的转动而将所述机舱(2)保持在所述静止位置。
13.根据权利要求9-13中任一项所述的控制系统，其中，所述控制系统包括横浆装置，用于使所述转子的至少一个转子叶片(3)成为横浆。
14.根据权利要求9-14中任一项所述的控制系统，其中，所述控制系统还包括锁定装置，所述锁定装置适于将所述转子锁定在沿竖直方向转动对称的位置上。
15.根据权利要求9-15中任一项所述的控制系统，其中，所述控制系统还包括邻近所述机舱(2)和所述柱或塔布置的至少一个偏航电动机，所述偏航电动机适于使所述机舱(2)相对于所述柱或者塔转动，从而到达所述静止位置。
16.根据权利要求12所述的控制系统，其中，所述控制系统适于利用所述风力涡轮机(1)附近的风力，因为所述偏航制动器放开，从而所述机舱(2)能够自由运动，以实现所述机舱(2)相对于所述柱或者塔的转动，从而到达所述静止位置。
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