CN102893024A

CN102893024A - 用于操作风能装置的方法

Info

Publication number: CN102893024A
Application number: CN2011800103727A
Authority: CN
Inventors: 马丁·冯·穆蒂乌斯
Original assignee: Repower Systems SE
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: CA2785916A1; EP2539586B1; DE102010002203B4; DE102010002203A1; DK2539586T3; WO2011101079A1; CA2785916C; ES2576060T3; US20120301295A1; EP2539586A1; US9074583B2; CN102893024B

Abstract

本发明涉及操作风能装置(10)的方法，该风能装置(10)具有转子(12)和至少一个在其冲角方面可调节的转子叶片(14)。本发明的特征在于，转子叶片(14)通过至少五个针对冲角的关于其纵轴(15)的重复性的调节操作来加速，其中具有振动振幅和振动频率的转子叶片的弯曲振动被激活。

Description

用于操作风能装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作风能装置的方法，该风能装置具有转子和至少一个在其冲角方面可调节的转子叶片。本发明还涉及一种风能装置，其具有转子、至少一个在其冲角方面可调节的转子叶片，以及操作控制机构。此外，本发明还涉及根据本发明的方法在根据本发明的风能装置中的应用。

背景技术

除了热学的和化学的方法以外，还可应用机械的方法来对大型风能装置的转子叶片进行除冰。

从专利文献US 6,890,152 B1中可知一种用于对风能装置的转子叶片除冰的方法，其中转子叶片的表面通过激振元件而振动，该激振元件尤其是扬声器或扩音器，其频率尤其处于低声频的范围内。

从国际申请WO 2009/043352 A2中可知一种用于对风能装置的转子叶片除冰的方法，其中粘附在停机的风能装置的转子叶片上的冰通过机罩、转子或转子叶片的突然加速和制动被抖落。

发明内容

本发明的目的是提供一种为风能装置的转子叶片除冰的有效方法，以及相应的风能装置。

上述目的通过一种用于操作风能装置的方法来实现，该风能装置具有转子和至少一个在其冲角方面可调节的转子叶片，该风能装置的进一步特征为，转子叶片通过至少五次重复的、尤其是周期性的针对冲角关于其纵轴的调节操作来加速，其中激发了具有振动振幅和振动频率的转子叶片的弯曲振动。对于除冰而言，这里也避免了复杂的辅助系统以及很高的和/或不受控制的结构性附加负载，例如在除冰之前和/或之后需要使风能装置完全停机。

本发明尤其基于通过有针对性地激发转子叶片的振动来使转子叶片的表面弹性地变形的想法，其中粘附的冰破碎和/或松动并掉落。具有高振幅的振动导致强烈的变形，这反过来对除冰的效率产生积极的影响。尤其是，由此产生了摇摆式振动，其中尤其是在叶片前缘上得到足够大的变形，其导致冰的松动。摇摆式振动是指这样的转子叶片的弯曲振动，其在转子叶片处于局部负载区域或小俯仰运动的工作位置中时大致处于转子平面内。转子叶片的第一弯曲共振频率通常处于冲击方向。摇摆式振动主要与冲击方向垂直。因此，摇摆式振动尤其是从转子叶片的后缘到转子叶片的前缘的振动。

现代风能装置的转子叶片在冲角方面是可调节的。为此，每个转子叶片配备有调节机构以便关于纵轴旋转。在每一次改变调节速度、尤其是当开启和停止调节机构的时候，加速力作用在转子叶片上，由此转子叶片因其质量惯性而被迫振动。根据本发明，转子叶片关于其纵轴加速，其中加速力通过至少五个连续的、尤其是周期性的调节操作而反复地施加到转子叶片上。在本发明的框架内，冲角特别是指转子叶片关于其纵轴的角位置。关于叶片纵轴的调节可以通过在现有技术中已知的液压的和电气的调节系统来进行。

所产生的转子叶片表面的合成运动可以被看做不同振动的叠加。

通过复杂的叶片几何形状，尤其是叶片轴的弯曲和扭转、冲击振动、摇摆式振动以及扭转振动彼此耦联。优选地，尤其是激发了摇摆式振动的第一自然频率。

全部在同一方向进行或者交替地在相反方向上进行的调节操作均激发转子叶片的弯曲振动，尤其是摇摆式振动。在每个调节操作中加速叶片可以理解为在本发明的框架内，每个调节操作的加速力在振动的转子叶片的转子叶片弯曲运动的方向上具有至少一个子分量。转子叶片弯曲振动的振动振幅因此随着每次调节操作而增加。根据本发明，至少执行了五个连续的调节操作。这确保了能够获得足够高的振动振幅以有效地除冰。

转子叶片的弯曲振动被摩擦力所衰减，使得振动振幅在一系列调节操作的最后一次调节操作之后连续地减小。在本发明的一个优选实施方案中，至少进行八个连续的调节操作，这样不仅能够达到振动振幅的期望高度，还可以使之维持更长的一段时间。

在本发明的一个尤其优选的实施方案中，通过以小于8度/秒、尤其是小于4度/秒的调节速度来执行调节操作，避免了结构性负载和磨损，或者将其保持在最小的程度。

转子叶片的弯曲振动优选地是摇摆式振动，尤其是具有与第一自然摇摆式振动频率相一致的频率的摇摆式振动。

在本发明的一个优选实施方案中，调节操作以一定的时间间隔连续进行，使得在同一方向上的两次连续调节操作之间的时间间隔相比于转子叶片的反向的第一摇摆式自然频率而言不偏离±10%。因此，该时间间隔尤其是处于反向的第一摇摆式自然频率的90%和110%之间。

在本发明的另一个优选的实施方案中，调节操作以一定的时间间隔连续进行，使得在同一方向上的两次连续的调节操作之间的时间间隔与反向振动频率的倍数或大致的倍数相一致，或者是比之更长或更短不到10%，和/或使得在相反方向上的两次连续的调节操作之间的时间间隔优选地与反向振动频率的一半的整倍数或大致的整倍数相一致，或者比之更长或更短不到10%。这两种方法也可以结合起来。

在最佳配合的调节操作的情况中，可实现的振动振幅并非无限高，而是受到与衰减相关的最大值所限制，该最大值取决于振动频率和其它因素。当振动频率的值接近转子叶片的共振频率时，可以获得尤其高的振动振幅的最大值。尤其有利的是本发明的如下实施方案，其中有针对性地激发了摇摆式振动的第一或最低的共振频率，从而可以有效地达到振动振幅的最大值。该振动频率优选小于1.8Hz。

相较具有相同构造的无冰的转子叶片而言，粘附有冰的转子叶片具有不同的质量分布。因此，转子叶片的共振频率相对于无冰的状态发生了改变。此外，共振频率在冰掉落的除冰过程中不断地改变。在本发明的一个尤其有利的实施方案中，利用传感器系统来执行、控制和/或调整所述调节操作，并且尤其是实现时间上的同步。传感器系统的纳入尤其有利，在该传感器系统中，通过监控适当的测量变量来捕获、测量和/或监测振动的转子叶片的运动。调节操作优选地针对变化的共振频率、尤其是第一摇摆式自然频率进行调节。

在本发明的一个优选的实施方案中，传感器系统捕获、测量和/或监控用来操作转子叶片的冲角或各个冲角的调节机构的电流。这里所考虑的是，在逆着转子叶片的振动运动的调节操作中，调节机构的功率消耗要高于在顺着转子叶片的振动运动的调节操作中的功率消耗。因此，用于使调节机构工作的电流跟随着转子叶片的振动运动，尤其是摇摆式振动。这里优选地用电流来控制调节操作。有利的是，通常使用已经存在的传感器来控制调节机构。

在本发明的一个优选实施方案中，传感器系统测量和/或监控风能装置上的、尤其是转子叶片上的至少一个负载、应变和/或加速度值。由此，可以直接确定转子叶片的弯曲振动、尤其是摇摆式振动的振动频率和振动振幅。例如，可以通过对装配在轮毂上的转子叶片的负载、转子叶片表面的应变或转子叶片的加速度的测量来做到这一点。

在本发明的一个实施方案中，当转子旋转频率低于转子叶片的弯曲振动、尤其是摇摆式振动的振动频率的五分之一，特别是十分之一，尤其是十五分之一时，这样的转子旋转也是尤其优选的，其中转子叶片限定了具有上半圆和下半圆的一转，并且在每一转中执行一个上升运动和一个下降运动。因此，能够确保在转子的一转中至少进行五个调节操作。

尤其有利的是本发明的另一个实施方案，其中转子旋转的频率位于风能装置的网络耦合操作的低频范围中。这消除了用来制动或启动风能装置的长转换相位，因此可以直接在除冰程序之前和之后生产电力，或者电力的产生可以甚至在除冰程序的其间继续。

当转子转动时，转子叶片的弯曲振动或尤其是转子叶片的摇摆式振动将受到更强的衰减，这是因为振动衰减的空气动力学分量增加了。如果必要，额外地衰减转子叶片弯曲振动、尤其是摇摆式振动的振动振幅仍然是有利的，以便避免风能装置的高的或无法控制的负载。

振动振幅优选地至少在转子叶片的一转的一部分内通过一个或多个振动衰减的调节操作来减小。通过对转子叶片的冲角的调节操作来获得额外的衰减，该调节操作以有针对性的方式控制转子叶片在叶片轮毂上的当前的振动运动。这种调节操作的调节速度、持续时间和次数通过所期望的衰减程度决定。

调节操作优选地与转子旋转同步。尤其有利的是，激发振动的调节操作只在下降运动或在转子叶片一转的下半圆中进行，和/或衰减振动的调节操作只在上升运动和/或在转子叶片一转的上半圆中进行。因此得到了转子叶片的弯曲振动、尤其是摇摆式振动的公称振动振幅仅存在于转子叶片一转的下半圆中。这能够防止冰在一转的上半圆中松动，从而撞击和/或损坏风能装置。

在本发明的一个尤其有利的实施方案中，激发振动的调节操作仅仅在转子叶片一转的下半圆中进行。如果合适，还有利的是可以在达到转子叶片一转的下半圆之前在转子叶片的下降运动中就进行第一调节操作，以便于在下半转动开始时就获得所期望高度的振动振幅。

在本发明的一个尤其优选的实施方案中，振动振幅在一转的上半圆中以有针对性的方式衰减，使得在一转的上半圆中没有冰会松动，因此风能装置的位于下方的部分不会被损毁。如果合适，有利的是在转子叶片的上升运动中在达到一转的上半圆之前就开始该有针对性的衰减。

还有利的是使用另外的除冰工艺，例如热学的或化学的除冰工艺。与根据本发明的方法相结合，将使得能够以更少的能量和从而更低的成本来使用尤其是热学的除冰系统。

本发明的目的还可通过具有转子、至少一个可调节的转子叶片和操作控制机构的风能装置来实现，其中操作控制机构设计用来使用根据本发明的方法。

附图说明

下面将在不限制本发明的大致思路的情况下基于示例性的实施方案并参考附图来描述本发明，其中关于未在文本中详细描述的所有细节的展示可清楚地参照附图。附图显示如下：

图1是具有转子和可调转子叶片的风能装置的示意性图示，其描述了具有上半部和下半部的一转。

图2是根据本发明的风能装置的示例性实施方案的示意性方框图。

图3是使用了示例性实施方案的本发明的可视化的示意图。

图4是使用了另一个示例性实施方案的本发明的可视化的示意图。

在随后的附图中，相同的或相似的元件或分别相应的部分使用相同的附图标记，为了避免需要再次对其进行介绍。

具体实施方式

图1示意性显示了具有转子12、转子叶片14以及两个另外的转子叶片的示例性风能装置10，其中例如转子叶片14可以关于其纵轴15沿着调节方向16调节。当转子12转动时，转子叶片14限定了具有上半部18和下半部19的一转。

图2显示了根据本发明的风能装置10的示意性方框图。转子的转子叶片14示意性地与转子轮毂13和驱动机构11相连接。转子叶片14可通过调节机构32关于其纵轴15在调节方向16上调节。调节机构32通过电流36运行，并且由操作控制机构30来控制。操作控制机构30使用了监控电流36的传感器系统34。另外，传感器系统监控转子叶片14上的应变值37、转子叶片14上的加速度值38、转子叶片14与转子轮毂13的连接处的负载值39、转子轮毂13的加速度值38’，以及转子轮毂13和驱动机构11之间的连接处的负载值39’。

图2中所示的应变、加速度和负载的值37，38，38’，39和39’以及电流36仅仅作为传感器系统34所测量、捕获和/或监控的可能的值的例子。并非所有的这些值都需要测量、捕获和/或监控。也可以测量、捕获和/或监控其他的值。

图3显示了本发明的示例性实施方案的一些示意图。图3中显示的五个图从上到下分别显示了如下：

1.以度为单位的转子叶片位置的时间曲线20，其中0度对应竖直向上的位置。

2.以度为单位的冲角的时间曲线22。

3.以度/秒为单位的调节速度的时间曲线24。

4.以kNm为单位的叶根处弯矩的时间曲线26。

5.调节机构32的功耗的时间曲线28。

在本实施例中，转子12具有大约0.08Hz的旋转。转子叶片14因此限定了一转，使得转子叶片14的位置跟随时间曲线20而变化。转子叶片14从而交替处于一转的上半部18或下半部19中，如图中上部的箭头所显示。

始于转子叶片14的上升运动，即在一转的上半部18的中间，促动调节机构32，其中转子叶片14关于其纵轴15沿着调节方向16被加速。也显示了调节速度的时间曲线24。通过调节操作来激励转子叶片14的转子叶片弯曲振动，尤其是摇摆式振动。摇摆式振动将在下面更详细地讨论。

分别进行八个具有正的和负的调节速度的调节操作，其中冲角周期性地变化，该冲角的时间曲线22已显示。在转子叶片14的上升运动中，即从一转的下半部19的中间到达到一转的上半部18的中间之间，不进行调节操作。

另外还显示了在叶根处、即在转子叶片14和转子12之间的连接处的弯矩的时间曲线26。可以看到两个重叠的分量。第一个分量源于在净重时的转子叶片14的负载，并且和转子叶片14的位置的时间曲线20相互关联。第二个分量源于转子叶片14的摇摆式振动，并且以相应的振动频率摆动。

显然，在所示情况中，摇摆式振动在叶根区域造成了比转子叶片14的净重低得多的弯矩。如果要在叶根区域中松动所存在的冰，振动的振幅或许需要增大。在尤其引起关注的外部叶片区域中，摇摆式振动引起的额外负载显著地增大，因此冰在那里松动。

调节速度的时间曲线24和弯矩的时间曲线26之间的比较显示出，在本实施例中，调节操作周期性地进行，其频率主要与弯矩的振动频率相一致。

另外可以看到，追溯到摇摆式运动的弯矩的分量仅仅在下半部19中存在，而不存在于上半部18中，这是因为从一转的下半部19的中间开始没有进行调节操作，并且摇摆式振动一直减少到一转的上半部19为止。转子叶片的摇摆式振动的激励尤其有效，这是因为非常容易结冰的叶片尖端承受着最大的额外负载，并因而还承受着最大的额外膨胀。由于冰不会膨胀很多，因此其可以从叶片表面有效地松解掉。

在最后一个图中显示了调节机构32的功耗的时间曲线28。通过将其与弯矩的时间曲线26进行比较，可以发现其与转子叶片14的摇摆式振动具有关联性。

图4显示了本发明的另一个示例性实施方案的相应曲线的对比图。在此实施例中，呈现了具有大约0.04Hz频率的较慢的转子旋转。由于转子12的较慢旋转，在转子叶片14的下降运动中可进行15个具有正的和负的调节速度的调节操作，其中触发了与在前一个实施例中相同的摇摆式振动的振动频率。

显然，相比图3的示例性实施方案，在时间曲线26’中达到了高出许多的摇摆式振动的振动振幅。尽管如此处的情况所示在转子叶片14的上升运动期间没有进行调节操作，然而在转子叶片14的一转的上半部18中也呈现出了具有相当大的振动振幅的摇摆式振动。在这种情况中，在达到转子叶片14的一转的上半部18之前，通过控制针对振动的转子叶片14的运动的调节操作来有利地衰减了摇摆式振动。

当风能装置运行时，即当转子旋转时，可以预防性地为了除冰而识别结冰，其可不需要结冰探测，或者利用传感器系统来进行。然后可实现风能装置的功率和/或速度的降低。操作控制系统或操作控制系统的相应控制机构而后转换为除冰模式，这是因为一些状态码和监控条件需要被去激活。转子叶片或各个转子叶片之后激发所期望的转子叶片的弯曲振动，尤其是摇摆式振动。可选地，转子叶片的冲角的调节操作可以推迟到转子的上半部，并且潜在地，转子叶片的冲角可以归属于其余转子叶片的叶片冲角的平均值。叶片的可能成功的除冰的探测步骤可以作为另一个可选步骤。其余转子叶片的相应除冰程序的步骤可相继地跟随。风能装置之后回到正常操作模式。

将操作控制系统转换到除冰模式的步骤优选地包括选择性地将单个叶片冲角转换到除冰模式，以便去激活特定的安全问题，例如关于可允许的转子叶片的冲角的加速度。这优选地通过轮毂的滑环以自动防故障的方式进行，也就是相应地只针对一个叶片轴。

除冰的一个备选实施方案在停机状态下进行，例如当转子出现了冰引起的失衡时。首先通过适宜的方法识别结冰，例如通过在启动期间的相当大的转子失衡。而后转子叶片被调到标记位置以将转子减速。之后，转子在失衡造成的特定位置处通过转子闸而被锁住。

操作控制系统之后转换到除冰模式，以便去激活标准模式的状态码和监控条件。根据本发明，最低位置的叶片的转子叶片弯曲振动或相应的摇摆式振动重复地进行。可选地，之后可以进行该叶片的成功除冰的探测。之后释放开转子闸。之后可以设置转子的被动的或相应的支持叶片调节的校正以及由失衡造成的另一个转子叶片的新位置。之前的步骤（从用转子闸锁住转子到释放开转子闸，以及在重复的激发之间，即执行根据本发明的除冰程序）可以重复地用于其它叶片，并且直到失衡被修复或辨识不出任何进一步的改善为止。风能装置而后转换到正常操作模式。

通过例如在风能装置启动时评估转速信号来识别失衡，例如通过低速模式或通过塔顶处的加速度传感器。所出现的振动振幅、尤其是摇摆式振动振幅是可以调节的，尤其是在给定叶片特性或恒定叶片特性的情况下使用两个参数。这些参数为激活的力度，即俯仰速度和加速度，以及激发频率和叶片的自然频率或摇摆式振动的自然频率之间的距离。

由于带有冰的转子叶片的自然频率通过附加的质量而被减少，结冰期间的激发必须也减少。为了这个目的，实际的叶片摇摆式旋转频率可以由传感器（例如加速度、应变或力的传感器）来确定，并且可被调节以实现激发。备选地，激发频率可以从尤其是叶片未结冰时的公称自然频率、尤其是叶片的摇摆自然频率开始逐渐减少。

所出现的振动振幅优选地通过已存在的传感器来监测，例如用于如下变量的传感器：叶片冲角系统中的电学变量或参数，例如冲角电流或相应的电流，其用来操作转子叶片冲角的调节机构。摇摆式振动之后优选以具有优选为最大振幅的激发频率多次地激发。如果振动振幅减小，激发频率再次轻微地增加，这是因为很可能是此刻冰已经掉落。

在成功地除冰之后，具有公称频率的激发必须引导最大的振动振幅，这意味着转子叶片已被成功地除冰。在通过调节叶片冲角的激发的情况中，指定在正方向上的补偿来防止叶片角的负设定导致气流瓦解、从而导致停滞的后果。

用语“自然频率”在本申请的范围内使用时，其还包括用语“共振频率”，反之亦然。

所有提到的特征，包括仅从附图中提取的特征以及与其他特征相结合地公开的单个特征，单独地或相结合体地对于本发明被认为是同等重要的。根据本发明的实施方案可以通过单个特征或多个特征的结合来完成。

标号列表

10风能装置

11驱动机构

12转子

13转子轮毂

14转子叶片

15纵轴

16调节方向

18一转（上半部）

19一转（下半部）

20，20’时间曲线（转子叶片的位置）

22，22’时间曲线（冲角）

24，24’时间曲线（调节速度）

26，26’时间曲线（弯矩）

28，28’时间曲线（功耗）

30操作控制机构

32调节机构

34传感器系统

36电流

37应变值

38，38’加速度值

39，39’负载值

Claims

1.一种用于操作风能装置(10)的方法，所述风能装置(10)具有转子(12)和至少一个转子叶片(14)，所述转子叶片(14)在其冲角方面是可调节的，其特征在于，所述转子叶片(14)通过至少五个针对冲角关于其纵轴(15)的重复性的调节操作来加速，其中激发了具有振动振幅和振动频率的转子叶片的弯曲振动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少进行八个重复性的调节操作。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以少于8度/秒、尤其是少于4度/秒的调节速度来进行所述调节操作。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述转子叶片的弯曲振动是摇摆式振动，尤其是具有与第一自然摇摆式旋转振动频率相一致的频率的摇摆式振动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述振动频率小于1.8Hz。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，利用传感器系统(34)来执行、控制和/或调整所述调节操作，尤其是使它们在时间上同步。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述传感器系统捕获、测量和/或监控用来运行转子叶片冲角的调节机构(32)的电流(36)。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述传感器系统(34)捕获、测量和/或监控至少一个负载、应变和/或加速度的值(37,38,38’,39,39’)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，呈现出的转子旋转的转子旋转频率小于振动频率的五分之一，尤其小于其十分之一，特别是小于其十五分之一，其中所述转子叶片(14)限定了具有上半圆(18)和下半圆(19)的一转，并且在每一转中执行上升运动和下降运动。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，转子旋转频率位于风能装置(10)的网络耦合操作的低频率范围。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，通过一个或多个衰减振动的调节操作来使振动振幅至少在转子叶片(14)的一转的一个扇区部分内减少。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，通过转子旋转来使调节操作同步化，其中尤其是激发振动的调节操作只在下降运动中或转子叶片(14)的一转的下半圆(19)中进行，和/或衰减振动的调节操作只在上升运动中和/或转子叶片(14)的一转的上半圆(18)中进行。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，使用附加的除冰工艺，尤其是热学的除冰工艺。

14.风能装置(10)，具有转子(12)和至少一个可调节的转子叶片(14)以及操作控制机构(30)，其中所述操作控制机构(30)设计用来使用根据利要求1至13中的一项或多项所述的至少一个方法，以对所述至少一个可调节的转子叶片(14)除冰。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的方法在操作根据权利要求14所述的风能装置中的应用。