CN102384030A - 具有可变化高度的风力涡轮机及用于操作该涡轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有可变化高度的风力涡轮机及用于操作该涡轮机的方法，具体而言，提供了一种具有可变化的操作高度的风力涡轮机和用于通过改变所述风力涡轮机的浮力而操作该涡轮机的方法。

Description

具有可变化高度的风力涡轮机及用于操作该涡轮机的方法
技术领域
本公开涉及风力涡轮机。更具体地，涉及具有增加的平均功率输出的风力涡轮机。
背景技术
由于在陆地上用于风力涡轮机的合适区域的有限可获得性，近年来近海风能生产的观念已经获得了重要性。在浅海水中，风力涡轮机通常安装在水体基底的混凝土基础上，而在更深的水中，涡轮机可浮在水中且可经由链条、缆索、绳或系泊索被固定至水体的基底，例如海床或湖的水底。
位于海洋处或更一般地在水中的设备的操作者面临一些在陆地上不曾遇到的问题。这些因素的其中之一是涌浪(分别地波)的存在，如果它们超过一定的幅度，其可能影响操作安全性，尤其是在系泊安装的风力涡轮机中。在另一方面，风力常超过风力涡轮机具有其最大功率输出所处的极限。如果风速增加超越了该水平，风力涡轮机功率输出不再增加。相反，为了避免系统的过载，转子叶片的桨距角典型地由操作者减小或自动减小。这导致了转子降低的空气动力特性且从而导致风力涡轮机降低的电功率输出。因此，在一定风速以上，电功率输出不随风速增加而增加而是降低，这是不希望的。
另外，已知风速随距离地面或海的距离而增加，直至一定幅值。更高的风力涡轮机因而在风速在从处于最大功率输出的风速移动足够远的模式期间主要导致更高的平均电功率输出(AEP)。然而，近海风力涡轮机还必须承受狂暴的气候条件。涡轮机越高，建造措施必须要考虑的力也越高，这导致了不希望的成本增加。同时，如果风力涡轮机更高，则在其期间风速超过以上所述涡轮机的最大功率水平的平均时间也增加。从而，通过增加的高度而在功率输出方面的增益被以下事实部分抵消，即风力涡轮机也将平均以较低的效率运行更长的时间，这是由在风速超过涡轮机达到其名义功率水平时所处风速的情况下延长的时期引起的。
鉴于以上所述，希望具有一种尤其是但并非必须用于近海使用的风力涡轮机，其利用增加的高度，但同时避免了增加的高度的已知缺点。
发明内容
在一个方面，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括具有轮毂和至少一个转子叶片的转子，其中，轮毂的操作高度是可调节的。
在另一个方面，风力涡轮机具有可变操作高度。
在又另一个方面，提供了一种用于操作风力涡轮机的方法，其包括改变风力涡轮机的高度。
由所附权利要求书、说明书和附图，另外的优点、特征、方面和细节将显而易见。
实施例还涉及用于执行所公开的方法且包括用于执行各个所述的方法步骤的装置部件的装置。这些方法步骤可通过硬件器件、由合适的软件编程的计算机、通过这两种方式的任何结合或以任何其它方式来执行。此外，根据本发明的实施例还涉及所述装置借以操作的方法。其包括用于执行装置的每个功能的方法步骤。
附图说明
对本领域技术人员而言，在说明书的剩余部分中包括参考附图更详细地阐述了完整且能够实现的公开，包括其最佳模式，其中：
图1显示了根据一个实施例的近海风力涡轮机的示意性侧视图；
图2显示了根据一个实施例在两种不同操作状态下的风力涡轮机的示意性侧视图；
图3显示了风力涡轮机的一个实施例的示意性截面图；
图4显示了风力涡轮机的另外一个实施例的示意性截面图。
零部件列表
20转子叶片
22机舱
26轮毂
28塔架
100储藏箱
120水
140压舱部
150固定元件
160卷扬机
170阀
180泵
200辊子
210地坑
220混凝土壁
500风力涡轮机
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施例，它们中的一个或多个示例被图示在附图中。各个示例作为本发明的解释提供，且并非意味着限制本发明。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可用于其它实施例上或与其它实施例结合以产生又一个实施例。本发明意图包括此类改型或变型。
在下文中，用语“地平面”限定如下。如果风力涡轮机浮在水体中，地平面被限定为当不存在波时的水的表面的水平面。像在高潮和低潮之间的变化的潮水过程可改变地平面。在这方面，轮毂或转子轮毂的操作高度，且因此风力涡轮机的高度，被限定为在转子轮毂的质心和地平面之间高度的差。如果涡轮机位于陆地上，则地平面被限定为处在从四个测量点计算所得的平均高度。它们各自在风力涡轮机塔架沿北、西、南和东方向与周围地形的平面相会的位置处被测量。用语风力涡轮机轮毂的“操作高度”，相应地风力涡轮机本身，被限定为轮毂相对于地平面的高度。
图1显示了风力涡轮机500的一个实施例的示意性侧视图。其包括塔架28、容纳发电机和电力设备的外壳22、以及连接至两个或更多转子叶片20的轮毂26。其还包括用于水120的水储藏箱100。
在一个实施例中，风力涡轮机通过至少一根缆索或链条150、典型地通过多根链条、缆索或绳连接至水体的底部，后者在与航海有关的文章中也称为系泊索。在以下非限制性示例中，其可示例性地称为缆索。这些固定元件典型地通过锚固元件或重载结构被连接至水体的基底。用于该目的的合适的技术手段在本领域中是公知的。缆索被安装至风力涡轮机的塔架28。在一个实施例中，缆索的长度可通过至少一个卷扬机160改变。在另外的实施例中，塔架还可经由基础连接至水体的基底。在此情况下，在塔架28的较低部和在水体的基底上的基础之间的元件应该提供可变化的长度，以使得在涡轮机的浮力被改变且涡轮机在周围水的水平面以上的高度变化的情况下，风力涡轮机能够移动。
为了改变浮动的风力涡轮机的浮力，水120可被添加至储藏箱100或可从储藏箱移除。当改变浮力时，风力涡轮机500将更深地沉入水中，或者将上升。为了将在缆索上的力保持在限定的范围中，在浮力变化期间，缆索的长度典型地同步地变化。由于缆索的受拉是风力涡轮机的稳定性的一个因素，该任务应该被注意。通过近似控制一个或更多卷扬机160或以另外的方式以执行对一个或更多缆索/链条/系泊索150的受拉的控制的方式是本领域技术人员的常识。
图2显示了处于两种不同模式下的图1的风力涡轮机，在左侧具有几乎被充满的储藏箱100，在右侧具有几乎空的储藏箱。为了图示性目的，没有描绘缆索和卷扬机。高度差异h由风力涡轮机在不同模式或操作状态下的不同浮力引起。因而，通过向储藏箱添加水或从储藏箱移除水而调整风力涡轮机的浮力，风力涡轮机的转子的操作高度可被调整，相应地被控制。
图3显示了风力涡轮机500的一个实施例的水储藏箱部的详细的截面图。水储藏箱100可通过至少一个泵180排空水120，至少一个泵180适于将水120泵入涡轮机在其中浮动的水体中。典型地，泵180是电泵，但还可是液压泵。在一个实施例中，泵设置成能够在从3到20分钟的时间跨度(更典型地从5至15分钟)内大致完全填满或清空储藏箱。由于在其期间发生风速或涌浪的明显的改变的时间间隔典型地处在较高时间模式下，该间隔典型地充分短。用于设计泵和阀系统的计算是本领域技术人员的常识。
在一个实施例中，风力涡轮机在其位于水储藏箱100以下的较低端上具有压舱部140。压舱用于提供对抗浮动的风力涡轮机的倾翻的稳定性。取决于风力涡轮机的总尺寸和其设计，压舱可典型地从30吨至100吨。水储藏箱100和压舱部两者或者它们中的任一个可被结合在风力涡轮机塔架28的较低部分中。在两者结合成一个元件或者它们中的任一个分离的情况下，它们也可作为安装至塔架28的较低端的另外的元件而提供。
在一个实施例中，提供可开关的阀170以在打开时允许水120从涡轮机在其中浮动的水体流进储藏箱100。出于安全性的原因，阀可被提供成在泵系统失效的情况下或在一般动力故障的情况下自动打开。在该情况下，储藏箱可被浸没且风力涡轮机在该风力涡轮机于其中浮动的水的平面以上的总高度将降低，这由于以下展示的安全性原因而是希望的。
在另一个实施例中，还可能被动地仅通过打开阀而从储藏箱移除水。在该情况下，储藏箱100典型地提供成使得在任何填充条件下水平面大致位于涡轮机在其中浮动的水的平面以上，使得可造成水由于重力的影响穿过阀流出。在该情况下，泵180典型地构造成能够将水泵入储藏箱100。
操作的以下模式典型地用于如在以上展示的风力涡轮机的一个实施例。风力涡轮机的可调高度的一个方面是涡轮机(即转子)的操作高度可适于不同的风况和/或涌浪状况。
在低风况期间，由于已知风速随高度而增加，希望具有涡轮机的更高的操作高度。从而，通过排空储藏箱100，风力涡轮机500的浮力增加，且同样地，转子在地以上的高度增加。风速的增加则导致更高的平均电功率输出。AEP的增加甚至大于风速的增加，而AEP的增益平均是风速增加的大约3/2。在被认为是低风况的状况以下的风速典型地是12m/s的风速。取决于风力涡轮机的特性，还有另外的风速可被认为是合适的边界值，例如从7m/s到15m/s，更典型地从9到13m/s。
对于高风况，水120被填充进储藏箱100。在一个实施例中，水通过重力经过阀170被动地流进储藏箱。在另一个实施例中，水通过泵180被泵入储藏箱100。随着升高的水平面和因而减少的浮力，风力涡轮机逐渐沉入水中。从而，转子在涡轮机在其中浮动的周围的水的水平面以上的高度减少。这由于以下原因是希望的。在一定风速下，例如在25m/s下，风力涡轮机典型地达到其由构造参数确定的名义(最大)功率输出。如果风变得更强，风力涡轮机不能产生更多的能量，但转子叶片的桨距典型地自动减少以便避免系统的过载。桨距角的改变导致转子降低的空气动力特性，这导致了更低的效率。从而，转子可以以更低的速度将风能转换成旋转能。结果，随着进一步增加风速，涡轮机的电功率输出下降。因此，在风速超过涡轮机达到其最大功率输出时所处风速的情况下，由于风随着距地更小的距离而降低，希望具有较低的转子高度。高于其的条件即被认为是高风况风速典型的是20m/s的风速。取决于风力涡轮机的特性，还有其它值可被认为是合适的边界值，例如，从16m/s到30m/s的风速，更典型地从18至26m/s。
另外，风力涡轮机的高度可取决于波或涌浪的高度而被改变。当波的平均高度超过一定边界值时，即在高涌浪状况下，出于如文中所述的安全性原因，涡轮机的高度降低。在其以上认为涌浪为高的边界值强烈取决于风力涡轮机的类型和尺寸，以及其至水体的基底的固定的特性。取决于此，边界值可以是从4m直至16m的平均波高度，更典型地从6m至13m。在一个实施例中，提供了涡轮机高度随着增加的波高度而逐渐减少。实施此类机制和控制算法的方法是本领域技术人员的常识。
当存在高风况且风力涡轮机由于被填充的储藏箱而具有较低的高度时，与具有空的储藏箱的较大高度相比，影响转子的风速降低。从而，风速典型地在用于最大功率输出的风速的范围中，但涡轮机上的负载更低，并且由于较高桨距角所引起的转子的更高的效率，电功率输出更高。
在一个非限制性示例中，近海风力涡轮机具有在20m/s的风速下达到的2.5兆瓦的名义功率。风力涡轮机重量在空的水储藏箱的情况下是大约200吨。在涡轮机于其中浮动的周围的水的水平面以上的轮毂的高度在空储藏箱的情况下是大约70m。储藏箱可具有40m3的容积。在该情况下，在满储藏箱的情况下的涡轮机和在空储藏箱的情况下的涡轮机之间的高度差是轮毂在周围水的水平面以上的高度的大约1/7。由于此类风力涡轮机具有10m的高度差h，在考虑了近海风力涡轮机的典型的操作状况和典型的天气状况的情况下，计算得出2.5％的随时间过去的平均功率输出增加。对于30m的高度差h，计算得出7％的平均功率输出增益。
在一个实施例中，风力涡轮机被设计成使得在满储藏箱(100)情况下的风力涡轮机(500)和在空储藏箱的情况下的风力涡轮机之间的高度差h是相对于在满储藏箱的情况下轮毂(26)在周围水的水平面以上的高度的5％至40％，更典型地，从10％到20％。在该方面，满储藏箱意味着储藏箱被填充至在风力涡轮机的设计期间限定的或由操作者限定的最高水平面。空储藏箱被限定为具有通过使用被提供用来排空储藏箱的措施可获得的最低水平面的储藏箱。在根据一个实施例的风力涡轮机中，强烈取决于风力涡轮机的总尺寸，高度差可从5m至50m，更典型地从8m至20m。储藏箱的容积还可取决于风力涡轮机的尺寸，从10m3至100m3，更典型地从20m3至70m3。
在一个实施例中，风力涡轮机可构造成使得在动力故障或泵系统故障的情况下，自动用水填充储藏箱以便提供低操作高度，意味着由风和波施加在涡轮机上的力被最小化。涡轮机然后可被停机或在降低的功率模式下操作。
在另一个实施例中，系统包括储藏箱和泵、相应的阀，通过动态地向储藏箱添加水和从储藏箱移除水，充当用于风力涡轮机的移动的动态阻尼器或主动阻尼器。
图4显示了另外的实施例，其中，利用风力涡轮机的浮力的可变化的高度的概念被应用至陆地上的涡轮机。为了该目的，涡轮机于其中浮动的水体是在典型的具有像在井中的圆形形状的倾倒场或地坑(210)中的水。地坑典型地具有混凝土壁(220)和底部，且被水填充至一定高度。根据该实施例的涡轮机(500)是大致类似于在图1、图2和图3中所描绘的那些涡轮机。典型地圆形的混凝土壁(220)在一个非限制性示例中具有大约4m的内径，但2m到7m的直径也是合适的，更典型地从3m到6m。深度取决于涡轮机的总高度，且可从10m到40m变化，更典型地从15m到30m。为了改变风力涡轮机的高度，通过将来自地坑(210)中的量的水泵入储藏箱或反之而改变在储藏箱(100)中的水平面。在该实施例中，不需要类似缆索的固定元件。相反，典型地通过类似安装至塔架或地坑的壁的竖直导轨的引导元件，由风施加在涡轮机上的力从涡轮机塔架被传递至地坑的壁。在一个实施例中，在地坑的壁中在各种高度上设置了多个钢辊子，优选地是对每个高度三个辊子，它们在水平平面中相对于彼此设置有120度的偏置角。在该附图中，辊子(200)仅为了图示目的而示意性地显示，且并不被设置成如上所述的120度的排列。
该书面描述使用示例公开了本发明，包括最佳模式，且还使得本领域技术人员能够制作和使用本发明。尽管已经按照各种具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到可以以在权利要求书的精神和范围内的改型来实践本发明。特别是以上所述的本发明的非相互排他性特征可彼此结合。本发明的可被授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的书面语言并非不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的书面语言无实质不同的等同结构元件，则它们意图落在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机(500)，其具有可变化的操作高度。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机的浮力是可控制的。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括水储藏箱(100)。
4.根据权利要求1至3所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括压舱部(140)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括至少一个泵(500)和至少一个阀，每一个均适于改变所述储藏箱(100)中的水平面。
6.根据权利要求3至5所述的风力涡轮机，其特征在于，与轮毂(26)在涡轮机于其中浮动的周围的水的平面以上的高度相关，在满储藏箱(100)情况下的所述涡轮机(500)和在空储藏箱情况下的所述风力涡轮机之间的高度差是在满储藏箱情况下高度的大约5％至40％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机(500)通过至少一根缆索(150)被固定至水体的基底。
8.一种操作风力涡轮机的方法，包括：
改变所述风力涡轮机的浮力。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，取决于外部操作状况而执行改变所述浮力，其中，所述外部操作状况包括从以下项组成的组中选择的至少一个要素：风速和涌浪。
10.根据权利要求8或9所述的风力涡轮机，其特征在于，通过改变储藏箱(100)中的水平面来执行改变所述浮力。
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