CN103228911A - 用于驱动风能设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于驱动风能设备的方法，其中风能设备具有构成为水平轴转子的空气动力学的转子，所述转子具有带有至少一个转子叶片的轮毂，并且在转子上设有至少一个用于检测转子的风载荷的载荷测量机构，所述方法包括下述步骤：不借助于或借助于少量的风载荷转动风能设备的转子以用于校准载荷测量机构，并且在此借助于载荷测量机构进行载荷测量，基于载荷测量和预先已知的、在所述转子上产生的重力来校准载荷测量机构。

Description

用于驱动风能设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于驱动风能设备的方法以及一种风能设备。

背景技术

具有水平轴转子的风能设备具有至少一个、通常三个转子叶片，所述转子叶片常规通过吹到其上的风围绕水平轴转动，以便借助于所述转动运动产生电能。如果吹到转子叶片上的风过强，那么风能设备可能——视频率和强度而定——被损害。通过转子叶片至少部分地背风转动例如能够受到由于过强的风而造成的这样的载荷。这也称为俯仰。

为了能够引入用于减轻风能设备的载荷的这样的或其他的措施，需要检测由于强风造成的相应的载荷。持续地强的和均匀的风能够通过风能设备的性能，例如通过所引起的能量产生来识别。对于在例如仅一个转子叶片上的短时间的载荷或局部的载荷，能够设有用于测量这样的载荷的传感器。因此，例如传感器，如应变计，用于检测每个转子叶片的弯曲。由此，能够在质量和数量方面直接检测并且相应地评估与转子叶片的弯曲相关联的载荷，以便必要时也采取用于限制载荷的措施。

为此前提条件是，相应的载荷传感器精确地工作并且提供可靠的值。对此，校准和/或校正相应的传感器是非常重要的。通常，传感器，例如应变计，提供与应变相关的阻力值或——视设置在下游的评估电子装置而定——提供与应变相关的信号，例如初始电压。于是，这些值借助于校准和校正与转子叶片的相应的载荷相关联。

这样的借助校正的校准能够是非常耗费的且也是容易出错的，因为在此，将另外记录的所属的载荷值与已测量的传感器值相关联。借助校正进行校准的可能性在于，将叶片手动地借助于待测量的比较力进行拉伸，使得借助于所述比较力进行校准。这样，转子叶片例如能够在6:00位置上在其尖部上朝塔方向被拉伸，同时测量已耗费的力。

附加地，在风能设备的运转过程中相互关系变化。这不仅能够由于转子叶片和传感器的老化现象，而且由于其他原因，例如传感器的损坏或其固定的损坏而引起。只要这样的变化是小的和/或缓慢进行，就存在所述变化保持不被发觉的危险。

通常作为现有技术参考DE102006036157A1。

发明内容

因此，本发明的目的是，消除、至少减少上述问题中的至少一个。尤其应简化至少一个载荷传感器的校准和校正和/或应尽可能地提高这样的校准和/或校正的可靠性。至少，应提出替选的解决方案。

根据本发明，提出一种根据权利要求1所述的方法。所述方法基于具有水平轴转子的风能设备。在这样的水平轴转子中，设有基本上水平的轴，以便使通过风驱动的一个或更多个转子叶片转动。所述轴也能够具有略微的倾斜位置。对于本领域技术人员而言，作为确定的风能设备类型的分类，具有水平轴转子的风能设备的概念是熟知的，尤其用于区分具有垂直轴的风能设备。

这样的风能设备具有空气动力学转子，所述转子具有带有至少一个转子叶片的轮毂。通常三个转子叶片，但不是仅三个转子叶片，设置在轮毂上。在转子上设有至少一个用于检测转子的风载荷的载荷测量机构。这样的载荷测量机构能够设置在转子叶片上或也设置在用于将转子叶片固定在转子轮毂上的适配器上。这是优选的方位。但是也可以考虑其他的方位，例如直接在轮毂上。这也尤其与转子的具体构造相关。

现在，这样的风能设备不借助于或借助于少量风载荷转动转子，以用于校准载荷测量机构。在此，载荷测量借助于载荷测量机构来进行。理想的是不存在风载荷。仍然能够忽略少量的风载荷或必要时在计算方面进行考虑。这最终还与期望的质量和准确性相关。

此外，基于所述载荷测量和除此之外基于预先已知的、在转子上产生的重力，进行载荷测量机构的校准。

在此基于的认知是，在水平轴转子中转子叶片的重量和相应产生的重力也能够引起载荷，载荷测量机构检测所述载荷。尤其能够假定：竖直伸出的转子叶片——即在六点钟方位或十二点钟方位上——实际上不承受由于重力引起的载荷，相反在转子叶片的水平位置中——即在三点钟方位或九点钟方位上——由于重力引起的载荷可以是最大的。因此，基于载荷测量能够检测过零点并且与其相关联。转子叶片的重量载荷通常是已知的，并且这样也能够进行数量上的相关联。

优选地，为了校正转子，将其转动至少一圈，并且在此将载荷曲线分布连同转子的相应位置一起被记录。在此，记录转子在旋转方向上的位置，即其0°至360°的方位，使得所述转子的位置能够与载荷曲线分布相关联。因此，载荷曲线分布包括载荷的连续的或几乎连续的记录，以至于例如记录用于在转子的转动运动中的每个角度的载荷值。因此，在所述示例中，对于一圈记录360个载荷值。这仅是示例，而且也能够记录或多或少的值，例如200个增量。尤其当经由所属的转动方位的角度数值描绘曲线分布时，在载荷曲线分布的这样的记录中期望至少基本上正弦形状的曲线分布。根据在系统中存在的非线性可能在此产生偏差。

现在，基于这样正弦形状的、或也可为不同形状的曲线分布，能够进行关联、校准和最终校正。如已经描述的，在0°和180°时表现为过零点。并且最大载荷是在90°和270°后期望的值。基于此，能够检测相对于待期望的曲线分布的偏差，这称为校准；并且引入的相应的修正值，这称为校正。

借助公式阐述

另外，有利的是，仅通过空气动力学的转子的基本上无载荷的转动能够进行校准和/或校正。基于构造技术上的相互关系，所述校准和/或所述校正能够转到由风引起的载荷上。

优选地，在风能设备开始运转时和/或在转子静止之后和/或风能设备的维护结束后进行校正。如果校准或校正也在转子静止之后、即在转子再次运转时进行，那么这尤其能够实现在开始运转时检查且必要时调整校准或校正。因此，能够以简单的方式考虑到载荷测量机构或其他参数的随着时间的推移可能的变化。

通常，风能设备以有规律的间隔进行维护，所述维护通常也需要使转子停止。在维护结束时，转子于是再次起动并且作为这样的维护的结束行为能够因此以简单的方式检查且必要时修正或更新校准和/或校正。

要说明的是，在不使转子静止的情况下，也能够进行根据本发明的上文描述的校准和/或校正。然而应注意的是，无论如何在没有风载荷的情况下或最多具有少量风载荷的情况下进行所提出的载荷测量。

有利的是，在缓慢运转中进行转子的用于校正和/或校准的转动。缓慢运转理解为，其中空气动力学的转子通过特别微弱的风转动，但是不产生电能进而不形成电学上的反作用力矩，空气动力学的转子反向于所述反作用力矩转动。换言之，转子在此以空转的方式缓慢地转动。

优选地，能够调节至少一个转子叶片，并且尤其为了进行所述载荷测量所述转子叶片背风转动，以至于没有由风得到能量或由风得到少量能量。因此，一方面即便在中级风力的或强风力的情况下也能够进行缓慢运转。如果载荷测量机构设置成，使得其在调节转子叶片时同样被调节，那么背风转动也造成所述载荷测量机构完全地或部分地在如下方向上转动，在所述方向上载荷测量机构测量在转子叶片上的且由于风引起的压力载荷的部位上的重力。换言之，在以理想的方式这样调节时，当所述转子叶片不背风转动时，重力刚好沿风力作用在转子叶片上的方向作用。因此，为了进行用于校准和/或校正的载荷测量，即使存在风的影响，也能够将风的影响最小化，并且将——已知的——重力的影响最大化，进而以高的准确性在考虑到预先已知的、在转子上产生的重力的情况下进行载荷测量。

优选地，使用至少一个应变计作为载荷机构，尤其对于每个转子叶片使用两个或多个应变计。因此，能够使用经验证的测量机构检测叶片载荷，并且能够以简单的方式校准和/或校正所述测量机构。通过使用多个应变计能够考虑不同的载荷方向和/或能够设有冗余测量。

优选地，至少一个载荷测量机构设置在轮毂上、转子叶片根部上和/或叶片适配器上。尤其在转子叶片根部、即转子叶片的朝向轮毂的部段上的使用和在叶片适配器上的设置意指，在使用能转动的转子叶片时——即在具有桨距控制的设备中——测量机构随着转动进而能够在不同的载荷方向上进行设定。在此要提及的是，叶片适配器理解为设置在转子叶片和轮毂之间的、尤其在转子叶片根部和轮毂之间的适配器。换言之，转子叶片以其转子叶片根部借助于叶片适配器固定在轮毂上。

根据本发明，此外提出一种构成为用于实施一个或更多个上文所述的方法的风能设备。

因此，有利的是，将校准的结果、即可能的区别的确定的结果用于校正载荷机构或用于校正与所述载荷机构连接的评估装置。这样的评估装置也能够集成在过程控制计算机中或过程控制计算机能够进行相应的评估。

只要校准的有利实施形式或与其相关联的特征被描述，所述实施形式和所述特征原则上也与校正有关地被理解为是有利的，而不用分别明确地阐述。

优选地，风能设备具有上文中结合方法的阐述所描述的特征中的一个或更多个。

附图说明

接下来，借助于实施形式参考附图示例地描述本发明。

图1示出风能设备的空气动力学的转子的部分的示意的俯视图。

图2示出当风能设备在一定程度上迎风定向时，从风向方向观察风能设备的示意的前视图。

图3a-c示出根据图2的、但是具有变化的转子叶片位置和以不同的桨距方位的风能设备的示意的俯视图。

图4示出用于校准和/或校正所进行的载荷测量的示意图。

具体实施方式

图1的俯视图示出具有轮毂2和转子1的全部三个转子叶片中的一个转子叶片4的转子1的部分。转子叶片4借助于叶片适配器6固定在轮毂上。在此，叶片适配器6可转动地固定在轮毂2上，以便使转子叶片4在迎风时、背风时或在中间位置中转动。此外示出用于通常测量在轮毂2的区域中的占优势的风的测风机构20。

用附图标记8标出指明在一定程度上作用到转子叶片上的风的风向的箭头。在此，风向相应于根据图2的风能设备的视图的观察方向。图2示意地示出风能设备10的整体视图，并且在此示出具有所有三个转子叶片4的空气动力学转子1。附加地，示出风能设备塔12。

因此，图1示出根据图2的风能设备的俯视图。

此外，从图1得到在叶片适配器6上的起载荷测量机构作用的应变计14。双箭头图解示出能够借助于应变计14检测的载荷方向16。当借助于应变计14在载荷方向16上测量应变应力时，只要在风相同的前提下，可以借助于应变计14’检测对于载荷方向16’的伸展。应变计14和14’能够设置在每个转子叶片4或叶片适配器6上。换言之，应变计不仅能够检测伸展而且还能够检测应变应力，进而检测转子叶片在正方向和负方向上的载荷。通常，零值与转子叶片4的未被加载的情况相关联。在风作用到转子叶片4上时，转子叶片沿风8的方向被加载并且也在所述载荷的方向上下沉一些。这造成在背风区域中的应变应力进而也造成根据现有示图的应变计14的应变应力。所述应变应力能够借助于在此仅示意性示出的评估单元18来评估，并且能够随后进行结果的进一步考量。视实施形式而定，每个转子叶片设有仅一个应变计或其他测量传感器能够是够用的。

图3a-c示意地示出根据图2的风能设备的、但是具有变化的转子叶片位置的俯视图。图3a-c在此示出在图1中为了更好的概览性而未示出的吊舱22。此外，为了更好的理解，在图3a-c中指明塔12，当然所述塔基于所选择的俯视图由吊舱22遮盖并且在此仅为了更好的理解而用虚线标出。在能够视为吊舱22的部分的轮毂2上，总是相关于所示出的也称为螺桨毂盖的盖板，转子叶片4以三个所谓的桨距方位示出，每个附图一个方位。在此，转子1处于如下方位，在所述方位中所示出的转子叶片4竖直向上。因此，其表示所谓的12点方位。在此不需阐述其他转子叶片4，并且因此未将其示出。在此，图3a示出相对于风以0°的桨距角定向的转子叶片4。其中桨距角为0°的第一方位——视观察方式而定——也能够称为非俯仰的方位。在此，转子叶片4迎风8转动，使得能够由风得到最大的能量。在相应占优势的风中，轮毂2进而转子1全部沿转动方向24转动。由于风8而在转子叶片4上产生的载荷能够借助于应变计14检测。在所述0°的桨距位置中，应变计14处于因此标明的P0位置中。在此，所述应变计很好地适合于检测由于风8而在转子叶片4上产生的载荷。

图3b示出相对于风以70°的桨距角定向的转子叶片4。在所述桨距位置中转子叶片4几乎不给予风8阻力，进而风8不施加或最多施加少量的载荷到转子叶片4上。充其量可能出现风能设备的缓慢运行。通过转子叶片4转动到70°位置中，应变计14也位于标为P70的方位中。应变计14在所述P70方位中几乎不能检测出转子叶片4由于风8而受到的载荷，尤其是因为在此风几乎不能施加载荷到转子叶片4上。为了完整性，图3c示出90°的桨距方位。

在应变计14的所示出的P70位置中仍然能够检测转子叶片的自重力矩。在此，所述自重力矩不会或基本上不会通过可能的风载荷而失真。然而，在转子叶片的所示出的竖直方位中，在传感器或应变计14上的重力或重力距是零。如果转子1沿转动方向24继续转动，那么重力持续增加，直到转子继续转动90°。在此，指的是也在图2的前视图中示出的转子转动运动24，并且其不与在图3a-c中图解示出的桨距位置混淆。如果相关的转子叶片4水平地、即相关于塔12横向地伸出，这也称为3点钟位置，那么载荷为最大。在继续转动90°后，如果相关的转子叶片4如其用于在图2中的转子叶片4所示出的、近似竖直地垂下，那么能够由应变计14检测到的重力载荷为零。在沿转动方向24继续转动90°到9点钟位置时，由应变计14检测到的由于重力而产生的载荷为最大，但是相关于3点钟位置具有相反的符号。

因此，在转子1完整转动一圈时，应变计14记录在图4中图解示出的、正弦形状的载荷曲线。只要测量机构，即应变计14与其评估单元一起被正确地校正，在相应于12点钟位置的0°和360°时和在相应于6点钟位置的180°时，载荷为零。但是，根据所示出的实施形式借助于增量式传感器20同时检测转子的方位，这例如能够通过将一圈划分为200个增量来实现。

校正的一个方式在于，记录经过至少一整圈的载荷测量机构的测量值的测量序列。这样例如能够经过一圈以均匀的间隔借助于测量机构进行例如200次测量Rn，其中n=0-199。在相关的转子叶片的重量或重量载荷A已知时，从200个测量值Rn中能够得出下述相互关系：

$A=k1\underset{n=0}{\overset{199}{\mathrm{\Σ}}}\left|R_n\right|$

值A作为幅值记入在图4的曲线图中。因此，系数k₁能够由已知的值A和测量Rn来确定。通过一圈或多个整圈的测量值Rn的值形成，得出相对于零位线的可能的位移。在第二次运行中或第二评估步骤中能够确定位移V，所述位移V给出测量曲线的相对于零位线的位移：

$V=k2\underset{n=0}{\overset{199}{\mathrm{\Σ}}}{R}_n$

系数K₂能够通过比较测量来确定或由已知的相互关系、例如支架系统（Regalsystem）的回路放大系数来确定。在系数k₁和k₂中也考虑所记录的测量值的数量。

因此，在所述计算中再求和，但是不进行之前的值形成，以至于能够确定位移V。所述位移V在图4中通过相应的双箭头标明。

因此，在真正启动之前，通过设备的缓慢运行能够确定灵敏性和载荷测量的零点。为此，记录每圈转动的测量值。所述测量值相应于叶片重量。因为叶片重量是已知的，所以能够校准传感器的、即载荷测量机构的、尤其应变计的灵敏性。零点也能够借助于值的测定而确定。

因此，理想情况的是不再需要手动的校正而且自动地补偿经过长的时间间隔测量的偏移。因此在每次设备启动时载荷测量的自动的校正是可能的。尤其，先前已知的方法中的补偿量的敏感性和偏移的问题被解决，至少被处理且降低。

因此，通过背风转动的转子叶片，即在桨距角大幅变化时，能够同时通过转子叶片4的重力使应变计14匹配于载荷的测量。换言之，重力在与风力不同的方向上作用，这通过变化载荷测量机构的方位在转子叶片4背风转动时也被同时考虑。因此，载荷测量机构的方位匹配于相应作用的力方向。只要因为例如在俯仰时转子叶片仅变化70°，而不变化90°，使得没有完全地实现方向匹配，那么这能够基于几何的相互关系通过计算进行考虑，尤其是因为相应设定的桨距角通常能够可供载荷测量机构的评估单元使用或被提供给载荷测量机构的通常评估单元。

Claims (12)

1.用于驱动风能设备的方法，其中

-所述风能设备具有构成为水平轴转子的空气动力学的转子，所述转子具有带有至少一个转子叶片的轮毂，

-并且在所述转子上设有用于检测所述转子的风载荷的至少一个载荷测量机构，

所述方法包括下述步骤：

-不借助于或借助于少量的风载荷转动所述风能设备的所述转子以用于校准所述载荷测量机构，并且在此借助于所述载荷测量机构进行载荷测量，

-基于所述载荷测量和预先已知的、在所述转子上产生的重力来校准所述载荷测量机构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在紧接着所述校准之后或与所述校准同时进行所述载荷测量机构的或相关联的评估装置的校正。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在转动所述转子以用于校准时，将所述转子转动至少一圈，并且在此进行所述载荷测量，使得测量载荷曲线分布并且同时检测所述转子的位置。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述风能设备开始运转时和/或在所述转子静止之后和/或在所述风能设备的维护结束时进行所述校准。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，转动所述转子以用于在缓慢运行中进行校正。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，能调节所述至少一个转子叶片并且在为了所述校准而转动时所述至少一个转子叶片背风转动，以至于没有由风得到能量或由风得到少量的能量。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使用至少一个应变计作为载荷测量机构，优选对于每个转子叶片使用两个或多个应变计。

8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个载荷测量机构设置在所述轮毂上、转子叶片根部上和/或用于将所述至少一个转子叶片固定在所述轮毂上的叶片适配器上。

9.风能设备，包括

-构造为水平轴转子的空气动力学的转子，所述转子具有带有至少一个转子叶片的轮毂，和

-设置在所述转子上的用于检测所述转子的风载荷的至少一个载荷测量机构，其中设置所述风能设备，以用于不借助于风载荷或借助于少量风载荷转动所述风能设备的所述转子以用于校准，并且在此借助于载荷测量机构进行载荷测量，并且基于所述载荷测量和预先已知的、在所述转子上产生的重力来校准所述载荷测量机构。

10.根据权利要求9所述的风能设备，其特征在于，作为载荷测量机构设有至少一个应变计，优选对于每个转子叶片设有一个、两个或更多应变计。

11.根据权利要求9或10所述的风能设备，其特征在于，所述至少一个载荷测量机构设置在所述轮毂上、转子叶片根部上和/或用于将所述至少一个转子叶片固定在所述轮毂上的叶片适配器上。

12.根据权利要求9至11之一所述的风能设备，其特征在于，设置所述风能设备，以用于实施根据权利要求1至8之一所述的方法。

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