CN103925151B - 带浮动地基的局部变桨距风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机，其包括风力涡轮机塔架，该塔架带有设置在其顶部的机舱，带有一片或多片风力涡轮机叶片的转子轮毂可转动地安装至该机舱，使得这些叶片构成旋转平面。具有上部的浮动地基安装至风力涡轮机塔架的底部，其中该地基具有浮体，用于安装在大约40米或更深的水深处的离岸位置。风力涡轮机叶片包括内叶片部分，其通过桨距连接器连接至外叶片部分，在该桨距连接器中桨距机构连接至桨距控制系统，该系统用于在风速超过第一风速时，相对内叶片部分调整外叶片部分的桨距角。这使得变桨距应用于抵消风力涡轮机由于作用在该结构上的不同推力所造成的倾斜。这使其对在该结构产生的弯矩作进一步线性控制，因为叶片部分提供了更恒定的作用在转子轮毂上的推力，这依次使得在风力涡轮机产生的大的负阻尼载荷和应力得以消除。

Description

带浮动地基的局部变桨距风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机，包括：
‐风力涡轮机塔架，其具有顶部和底部；
‐机舱，该机舱设置在风力涡轮机塔架顶部；
‐转子轮毂，该转子轮毂可转动地安装至机舱；
‐一片或更多风力涡轮机叶片，该叶片安装至转子轮毂，其中风力涡轮机叶片构成旋转平面；以及
‐浮动地基，该地基具有上部，设置为安装至风力涡轮机塔架的底部，其中该地基具有浮体，并设置为安装在具有预定水深的离岸位置。
本发明还涉及一种控制风力涡轮机的方法，包括一片或更多风力涡轮机叶片，该叶片安装至转子轮毂，该轮毂紧接着可旋转地安装至机舱，该机舱设置在风力涡轮机塔架的顶部，该塔架紧接着安装至具有浮体的浮动地基上，其中风力涡轮机叶片在平均风速大于第一风速时调整桨距角。
背景技术
众所周知，在岸上或离岸位置安装风力涡轮机，通常将风力涡轮机成组设置，使得风力涡轮机产生尽可能多的能量。近年来，风力涡轮机的高度和大小与这类大型风力涡轮机所能产生的功率输出一起提升了。由于功率输出与风力涡轮机叶片的大小和长度成正比，因此这些叶片的大小和长度以及风力涡轮机塔架的高度也增大了。现今，由于噪音限制和其他因素，对在离岸位置安置这类大型风力涡轮机提出了更高的要求。
离岸风力涡轮机一般安装在离岸地基（有时称为沿岸地基）上，该地基通过单极钻入海床或者依靠重物或三脚架地基固定至海床。然而，这类地基很贵而且只能用于40米或更浅的水深处。具有一个或三个浮力腔的浮动地基一般用于更深的水域；然而，这类浮动地基通常很贵，并且非常庞大笨重，因为它们需要为风力涡轮机提供稳定的平台。作用在旋转平面上风的推力（有时称为风推力或转子推力）取决于来风的密度，并且在决定这种浮动地基即浮动体的大小和重量时，这是一个重要的因素。
离岸风力涡轮机受制于风廓线，该风廓线与陆地的风廓线不同。离岸风廓线具有比陆上风廓线更恒定、更高速的平均风速。陆上风廓线经常遭遇风切变和湍流，这些降低了平均风速。此外，浮动地基还要承受洋流和海浪运动的推力以及作用在地基水下部分的静水推力。由于各种作用在该结构上的推力，风力涡轮机的倾斜或角旋转会导致风力涡轮机摇摆不定，这成为了风速超过10至14米/秒，例如12米/秒（也称为额定功率）时的主要问题。
失速调节型风力涡轮机容易受来风密度的影响，来风密度在冬夏之间会发生变化，并且在一定的风速的额定功率下，湍流会出现在叶片的上风侧，导致失速，并由此导致载荷量和振动量的增加。由于这类风力涡轮机作为离岸区域的技术方案是很大、重且贵的，因此不是优选技术方案。此外，风作用在这类风力涡轮机上的推力或载荷会影响额定功率的情况，这会导致风力涡轮机叶片周围出现湍流。这使得风力涡轮机承受显著的风暴载荷和应力，造成风力涡轮机失效。在极高风速或阵风的情况下，风力涡轮机承受的载荷和应力将成倍增加。这要求风力涡轮机建造或限定至足以承受这种高载荷和应力。为了达到国际电工委员会定义的等级要求，风力涡轮机生产商通常增加强化材料和/或增加该结构各部分的大小和强度。这随之增加了这类风力涡轮机的生产成本。这类风力涡轮机使得风力涡轮机的效率不受控。
用于离岸区域的桨距调节型风力涡轮机一般将整片风力涡轮机叶片调整桨距角以倾向或逆向风向，使得在额定功率情况下保持相对恒定的功率输出。当风力涡轮机叶片调整桨距角以至逆向风向时，作用在转子轮毂的推力减小，并当风力涡轮机叶片调整桨距角以倾向风向时，推力增大。这造成风力涡轮机相对该结构的重心重复地倾斜或成角度地旋转，当风力涡轮机安置在浮动地基时，这是一个重大的问题。当风力涡轮机朝向风倾斜时，会产生额外风，从而增加了击中旋转平面的相对风。当风力涡轮机向后倾斜离开风时，其会随风移动，从而减少击中旋转平面的相对风。这意味着，如果风力涡轮机安置在浮动地基，会看到击中风力涡轮机的相对风的重复变化，即使来风的风速是恒定的。这些风力涡轮机上的负面的阻尼振荡可具有显著的自我增强效果，这会翻倒该结构或引致该结构失效。
此外，由于洋流和海浪而作用在浮动地基上的流体力和往复推力还会造成该结构相对其重心重复倾斜或成角度地旋转。如果海洋自然频率大致匹配作用在转子轮毂上的推力的频率，这在该结构上也具有自我增强效果。这种风力涡轮机的振荡运动引致该结构显著的应力和疲劳载荷，这要求风力涡轮机，特别是塔架需要由附加材料强化，使得该结构的强度提升。这随之增加了风力涡轮机的生产成本。解决这种倾斜问题的一种方式是增大浮动地基的大小和重量；然而，这种技术方案增加了浮动地基的生产成本，从而使它变成非常贵的技术方案。由于浮动地基增加了的大小和重量，这种技术方案还会增加安装成本。
PCT专利WO 03/004869 A1公开了一种带三片传统风力涡轮机叶片的风力涡轮机，该风力涡轮机安装在浮动地基上，该浮动地基通过若干锚索固定在海床上。该浮动地基包括浮力腔，该浮力腔形成在地基主体内部，这使得地基浮起至水面附近。在一个实施例中，浮力腔可包括若干个压舱物腔室，其中为了补偿风力涡轮机的倾斜，可以调整该压舱物。安置于可移动杠杆臂的负重，该杠杆臂位于地基底部，或张紧系统，例如该系统与接触到海床的一端结合，可用于替代在压舱物腔室中调整压舱物。所有公开的实施例公开了关于浮动地基的相对复杂和昂贵的技术方案，这些技术方案增大了地基的大小并增加了其总成本。此外，在不同腔室中压舱物的调整并不认为是合适的技术方案，因为在不同腔室中压舱物的运动耗费时间，甚至会与风力涡轮机的重复性倾斜产生共振。
美国专利US 7156037 B2公开了另一种技术方案，其中带三片传统风力涡轮机叶片的风力涡轮机安装在细长的浮动地基上，该地基可枢转地固定在海床上。该地基包括部分充水的压舱物室。机舱使用倾斜接头接合至塔架顶端，这使得转子轮毂的位置倾斜，从而使得转轴总是置于水平状态。可采用一条锚索连接至置于海床上的平台或采用三条锚索连接至风力涡轮机来稳定风力涡轮机。这种技术方案具有以下缺点：当塔架向后倾时，风力涡轮机的尖端有击中塔架的风险。这种结构允许风力涡轮机相对大的倾斜运动，这结果形成了击中旋转平面的相对风速有相对大的变化。该倾斜接头还进一步提供了弱点，该点很可能失效。
PCT国际专利WO 2012/069578 A1公开了一种桨距调节风力涡轮机，其安装在通过若干锚索固定在海床上的浮动地基上。该地基包括一至四个装有部分压舱物的浮力腔和若干从地基向外延伸的稳定臂。可旋转的螺旋桨设置在每个浮力腔的底部，并连接至控制系统，该控制系统控制螺旋桨的运行和方向。加速度计或全球定位系统（GPS）接收器式的全球导航卫星系统（GNSS）接收器用于测量风力涡轮机的振动，其中螺旋桨用于提供反向运动，使得振动被抑制。这种技术方案要求螺旋桨系统的应用，为风力涡轮机提供相对稳定的平台，这增加了浮动地基的复杂性和大小，从而增加了总成本。此外，这种技术方案要求使用若干稳定臂或者三个或多个浮力腔以补偿地基由于洋流和海浪引起的旋转或运动。
所有上述技术方案要求使用附加系统，连接至浮动地基的外表面或安置于浮动地基的内部，以抵消风力涡轮机的重复性倾斜。
PCT国际专利WO 2005/090781 A1公开了一种浮动风力涡轮机，在该风力涡轮机的塔架底部连接有位于海床上的锚。该风力涡轮机包括三片传统叶片，该叶片连接至桨距控制系统，该系统根据作用在转子轮毂上以抵消塔架运动的平均推力来调整叶片的桨距角。控制系统调整风力涡轮机叶片的桨距角以抵消该结构的运动；这将风力涡轮机叶片放在相对于风向并非最佳的位置。这减小了作用在转子轮毂的推力，但也降低了系统的效率。三叶片风力涡轮机的塔架在强风停止时承受非常高的载荷，这可导致塔架在强风停止期间危险的角运动。
瑟伦·克里斯蒂安森（Soeren Christiansen）的论文《基于模型控制暴露于风浪中的压舱稳定型浮动风力涡轮机》公开了各种用于控制安置于浮动地基上的风力涡轮机的控制方法。该控制方法基于带三片传统叶片的5兆瓦风力涡轮机（称为海风），其安置于圆形浮筒形的地基上，使用张紧的缆绳固定在海床上。此论文的C页公开了一种控制方法，其中三片叶片根据作用在转子轮毂的的最小推力调整桨距角。然而，主转轴和传动系统的结构强度需要强化，因为下降的发电机转速造成发电机转矩增大。D页公开了另一种控制方法，该方法使用传统的陆上控制器用来控制调整叶片的桨距角。这种控制方法要求附加控制回路来稳定平台和整个系统。这增加了风力涡轮机结构的复杂性和成本。
发明目的
本发明的目的在于提供一种风力涡轮机结构，使得风力涡轮机在高风速运行时的倾斜减小。
本发明的目的在于提供一种浮动地基，该地基具有缩小的大小和重量。
本发明的目的在于提供一种可选的调整桨距的方式，该方式在变桨距风力涡轮机叶片处于高风速运行时调整桨距角。
本发明的目的在于提供一种风力涡轮机结构，使得该结构在高风速运行时的疲劳载荷减小。
发明内容
本发明的目的通过这样一种风力涡轮机实现，该风力涡轮机安装至浮动地基上，其中：
‐风力涡轮机叶片包括至少带有第一气动外形的内叶片部分和带有第二气动外形的外叶片部分，其中内叶片部分安装至转子轮毂，外叶片部分通过至少一个桨距连接器连接至内叶片部分，该桨距连接器在风速超过第一风速时相对内叶片部分调整外叶片部分的桨距角。
这提供了一种适用于深水处的局部变桨距风力涡轮机结构。两个叶片部分使得至少其中一个叶片部分，例如外部分，可以相对其他叶片部分，例如内部分，调整桨距角。变桨距系统调整桨距角，以提升风力涡轮机的功率性能和/或减小作用在转子轮毂的推力值的相应变化。这减小了在该结构产生的疲劳载荷和应力，这依次使得风力涡轮机，例如其塔架和侧滑轴承的结构强度和材料最小化，从而降低风力涡轮机的生产成本。
局部变桨距风力涡轮机的使用使得该结构的倾斜运动减小，并允许对于由于机舱和风力涡轮机叶片的大小和重量在该结构产生的弯矩作进一步线性控制。这可通过仅调整风力涡轮机叶片的一部分的桨距角来实现，这依次提供了比传统的桨距调整型风力涡轮机更恒定的作用在转子轮毂上并依次作用在机舱上的推力。这使得在风力涡轮机上由于变桨距而产生的大的负阻尼载荷和应力被消除或至少显著减小。风力涡轮机的最大允许倾斜度可以是±2°、±1°、±0.5°或更小。外叶片部分相对内叶片部分的变桨距使得弯矩减小。这依次为风力涡轮机提供更稳定的平台，依次使得浮动地基的大小和重量可进行优化或减小，从而减小浮动地基的生产成本。这种结构进一步免除了在风力涡轮机塔架顶端安装任何阻尼机构的需要，否则会增加风力涡轮机的成本。此外，比起使用三片叶片，仅使用两片风力涡轮机叶片显著减小了风力涡轮机塔架在高风速停止时所经受的载荷；这降低了塔架危险的角运动的风险。
风力涡轮机叶片可具有从根端至尖端35米或更长的长度，对应相对长度1。比起传统的桨距调节型风力涡轮机，叶片至少其中一部分的变桨距使得在风力涡轮机叶片产生的疲劳载荷和应力分布得更平均。这使得变桨距系统的大小和重量可进行优化或减小，因为变桨距部分总的大小和重量减小了。在传统的桨距调节型风力涡轮机中，整片风力涡轮机叶片变桨距，这要求大型且更强劲的变桨距系统。局部变桨距风力涡轮机叶片的使用可允许更快更好地控制变桨距，这会在风力涡轮机叶片和该结构中产生更小的振动和应力。
根据一个实施例，内叶片部分具有失速控制型气动外形，且外叶片部分具有桨距控制型气动外形，且其中两个叶片部分确定了作用在转子轮毂上的合推力值。
比起传统的桨距调节风力涡轮机，局部变桨距风力涡轮机的使用使得作用在转子轮毂上的合推力或合力得到更有效的控制。这使得每个叶片部分的气动外形根据一组预设的规格进行优化，这依次使得合推力得到更优化的调整。两个叶片部分可具有相同的或不同的气动外形。内叶片部分可设置为具有失速控制型气动外形，这提供了一种相对于作用在风力涡轮机上的风速，具有主动或被动失速控制叶片外形特性的推力值。外叶片部分可设置为具有桨距控制型气动外形，这提供了一种相对于作用在风力涡轮机上的风速，具有桨距控制型叶片外形特性的推力值。两个叶片部分可选地可具有相同的气动外形，例如失速或桨距控制型，并可根据相同或不同的规格进行优化。两个叶片部分确定对于整个风力涡轮机叶片的合推力。内叶片部分的外形可设置在外叶片部分的外形之后，使得合推力值在风速处于额定风速和截止风速之间时大致恒定。这使得推力可以被动调节。
根据一个实施例，内叶片部分从风力涡轮机叶片的根端延伸至桨距连接器的一个位置，并且，外叶片部分从风力涡轮机叶片的尖端延伸至桨距连接器的这个位置，且其中桨距连接器位于相对于根端的相对长度0.20±10%至0.80±10%之间处，优选为0.30±10%至0.70±10%之间处。
这使得每个叶片部分的长度以及桨距连接器的位置可进行优化。总扫掠面积分布在叶片部分之间，这样它们确定了内扫掠面积和外扫掠面积。内叶片部分的相对长度可相对外叶片部分的长度增加，反之亦然。外扫掠面积对内扫掠面积的比率增大。这使得作用在转子轮毂的合推力得到更动态的控制，因为第二推力值对合推力值的影响更大。外扫掠面积对内扫掠面积的比率可降低。这使得作用在转子轮毂的合推力得到更静态的控制，因为第二推力值对合推力值的影响更小。为了进一步提升对合推力的控制，至少一个中间叶片部分可通过两个连接器设置在两个叶片部分之间。中间叶片部分可设置为变桨距叶片部分，通过至少一个桨距连接器接合至两个叶片部分。两个变桨距叶片部分可一起变桨距和/或通过同一桨距控制系统或两个分开的桨距控制系统彼此相对调整桨距。
内叶片部分可具有相对长度为0.20至0.80之间，优选为0.30至0.70之间。外叶片部分可具有相对长度为0.20至0.80之间，优选为0.30至0.70之间。桨距连接器的相对长度可取决于所需的结构，并且可在0.02或更短。所列举的相对长度可具有±10%、±5%、±2%或±1%的公差。
根据一个实施例，内叶片部分的气动外形确定第一表面面积，该第一表面面积确定了该叶片区域的吸力侧和压力侧，且外叶片部分的气动外形确定第二表面面积，该第二表面面积确定了该叶片区域的吸力侧和压力侧，其中第一表面面积对第二表面面积的比率在0.5至1.5±10%之间，优选为1±10%。
这使得两个叶片部分的表面面积以及每个叶片部分的升力和阻力可进行优化。内叶片部分的表面面积可相对外叶片部分增加，使得来风击中更大的表面面积，从而提升了内叶片部分的升力。这使得更大的载荷转移至内叶片部分，降低了风力涡轮机叶片造成的根部力矩和应力。这使得风力涡轮机叶片的结构和结构要求根据降低的根部力矩进行优化。外叶片部分的表面面积可相对内叶片部分减小，使得来风击中更小的表面面积，从而降低外叶片部分的升力和阻力。这使得外叶片部分的载荷和应力降低，并使得风力涡轮机叶片的根部力矩降低。
内叶片部分和/或外叶片部分的厚度分布和/或弦分布可进行优化或增大，使得该叶片部分的表面面积增大。第一表面面积对第二表面面积的比率可以是0.5至0.75之间，例如0.5，这使得当风速向截止风速增大时，合推力值具有相对小的负正切值。该比率可以是0.75至1.25之间，例如1，这使得当风速向截止风速增大时，合推力值具有相对小的正正切值。或者该比率可以是1.25至1.5之间，例如1.5，使得合推力值的正正切值增大。所列举的比率可以具有±10%、±5%、±2%或±1%的公差。
根据一个实施例，桨距控制系统设置为根据预设的功率输出调节外叶片部分的桨距角。
桨距控制系统可设置为根据选定的功率输出曲线，例如递增功率输出曲线、递减功率输出曲线或常量或标称功率输出曲线，调节外叶片部分的桨距角。这使得外叶片部分相对来风置于最佳角度，使得风力涡轮机的效率提升。
根据一个特殊实施例，作用在内叶片部分的风速确定第一推力值，并且作用在外叶片部分的风速确定第二推力值，其中桨距控制系统设置为通过调整外叶片部分的桨距，相对第一推力值来调节第二推力值，使得合推力值保持在基本恒定值。
可设置局部变桨距风力涡轮机的变桨距，使得作用在转子轮毂的合推力值在风速超过第一风速时保持在基本恒定值。内叶片部分可确定参考推力值，该值用作外叶片部分的变桨距参考参数。外叶片部分的动态推力值可相对该参考值进行调节，使得合推力值保持在基本恒定值。外叶片部分的变桨距可使得弯矩在各种风速下运行时，保持基本最小值。使用这种控制方法的功率输出可低于前述的控制方法，因为所产生功率的一部分更频繁地用于调节外叶片部分的桨距角。
合推力值可调节为在一恒定值的可接受公差范围内，例如±10%、±5%、±2%、±1%或更小。该恒定值可在风力涡轮机的额定或标称风速时确定，并且可以是在该风速下的合推力值的80至120%之间，优选为90至110%之间。
根据一个实施例，桨距控制系统电气连接至至少一个测量单元，该测量单元用于测量风力涡轮机相对其垂直位置的倾斜度，其中桨距控制系统设置为基于所测得的倾斜度调节外叶片部分的桨距角。
这使得基于所测得的风力涡轮机倾斜度进一步对变桨距进行调节。一个或多个测量单元，例如加速度计、GPS单元、角度传感器或其他合适的测量单元，可设置在机舱或浮动地基，并且可电气连接至桨距控制系统。一个或多个应变计或其他合适的载荷传感器可选地设置在该结构上，例如塔架或机舱，并可用于测量塔架的倾斜度。桨距控制系统可设置为将桨距调节至预设频率带，使得变桨距不会与该结构共振。这使得风力涡轮机的振动被抑制或减弱至可接受水平。一个或多个测量单元，例如风速计或气象桅杆、转速表或其他合适的测量单元，可连接至桨距控制系统，并且可设置为测量风速和/或传动系统的转速。变桨距可基于风力涡轮机的倾斜度和/或击中旋转平面的风速进行调节，使得风力涡轮机不仅补偿风速所产生的推力，还补偿洋流和海浪所产生的推力。这使得变桨距基于一个或多个所测得的载荷参数和/或气象数据进行调节。
根据一个实施例，第一风速的平均值为10至14米/秒，优选为12米/秒或更高。
局部变桨距风力涡轮机的使用在平均风速为10至14米/秒，优选为12米/秒或更高的情况下特别高效，其中桨距调节型外叶片部分可用于补偿失速调节型内叶片部分的负面影响。第一风速确定了风力涡轮机的额定功率。第一风速可定义为风力涡轮机达到其标称或额定功率输出时的风速。如果风速超过截止风速，例如25米/秒或更高，则风力涡轮机开启超负荷程序。
本发明的目的还可以通过一种控制风力涡轮机的方法实现，特别是通过相对风力涡轮机内叶片部分调节风力涡轮机叶片的外叶片部分的桨距角来实现。
比起传统的桨距调节型风力涡轮机，这种方法对作用在风力涡轮机上的推力或力提供了更好更有效的控制。这使得风力涡轮机的重复性倾斜被消除或至少显著地降低或抑制，这减小了该结构产生的疲劳载荷和应力。风力涡轮机的结构强度和材料，例如风力涡轮机塔架，可以降低，从而降低了风力涡轮机的生产成本。在当风力涡轮机倾斜时，该方法还对在该结构产生的弯矩提供了更好更有效的控制。这使得弯矩减小，因为风力涡轮机的最大倾斜角度被减小至更可接受的水平。这依次增加了供风力涡轮机使用的平台的稳定性，使得浮动地基的大小和重量可进行优化或减小，从而降低浮动地基的生产成本。外叶片部分的变桨距使得风力涡轮机的倾斜度减小，并免除了位于风力涡轮机塔架顶端的阻尼机构的需要，从而降低了风力涡轮机的成本。局部变桨距风力涡轮机的使用使得功率特性和/或作用在转子轮毂的推力得到更精确地调节，因为至少一部分叶片相对至少另一部分叶片变桨距。
根据一个实施例，变桨距相对预设的功率输出进行调节。
外叶片部分相对内叶片部分变桨距以调节风力涡轮机的功率输出。这可根据选定的功率输出曲线完成，这样可保持高效率。这也减小了变桨距活动，因为桨距连接器根据平均风速的变化启动。这也减小了桨距连接器的磨损，从而延长其使用寿命。
根据一个实施例，内叶片部分确定第一推力值，并且外叶片部分确定第二推力值，其中变桨距相对第一推力值进行调节，使得合推力值保持在基本恒定值。
外叶片部分可改为相对内叶片部分变桨距，使得作用在转子轮毂的合推力值保持在基本恒定值。内叶片部分可确定参考推力值，用作外叶片部分变桨距的控制参数。为了保持基本恒定值，这使得外叶片部分的动态推力相对参考值进行调节。合推力值可调节至恒定值的可接受公差范围内，例如±10%、±5%、±2%、±1%或更小。恒定值可由风力涡轮机在额定或标称风速下确定，并可以是在该风速下的合推力值的80至120%之间，优选为90至110%之间。外叶片部分的变桨距可进一步用于补偿风力涡轮机由于洋流和海浪的倾斜。外叶片部分桨距可变，使得风力涡轮机的倾斜度以及随之的旋转角减小或抵消至可接受水平，例如相对垂直位置的±2°、±1°、±0.5°或更小。这使得合推力值可以主动地调节。这也增加了变桨距活动，因为桨距连接器根据平均风速的变化以及洋流和海浪的动态冲击的变化而启动。
根据一个实施例，在该结构设置至少一个测量单元测量风力涡轮机的倾斜度，其中外叶片部分的变桨距基于所测得的倾斜度进行调节。
这使得外叶片部分的变桨距基于所测得的风力涡轮机倾斜度进行调节。倾斜度可使用一个或多个测量单元测量，例如加速度计、GPS单元、角度传感器或其他合适的测量单元，电气连接至桨距控制系统。或者，一个或多个应变计或其他合适的载荷传感器可测量塔架的倾斜度。变桨距可在选定的频率带执行，使得变桨距不会与该结构共振。这使得风力涡轮机的振动抑制或减小至可接受水平。一个或多个测量单元，例如风速计或气象桅杆、转速表或其他合适的测量单元可测量风速和/或转速。这使得变桨距可基于风力涡轮机的倾斜度和/或击中旋转平面的风速进行调节，使得风力涡轮机可以不仅补偿在该风速的变化，还可以补偿洋流和海浪产生的倾斜。
附图说明
本发明仅通过实施例，并参照附图进行描述，其中：
图1示出了一个安装在浮动地基上的风力涡轮机的实施例；
图2示出了图1所示的风力涡轮机，该风力涡轮机带有相对内叶片部分变桨距的外叶片部分；以及
图3示出了对比传统的桨距调节型风力涡轮机，根据本发明的风力涡轮机相对于风速作用在转子轮毂上的推力图。
在下文中，将逐一描述附图，在附图中看到的不同部件和位置将被编号，在不同附图中的同一部件和位置，将标以相同的编号。具体某一附图中的所有部件和位置，并非都必须与该附图一并讨论。
具体实施方式
术语“倾斜”定义为风力涡轮机相对旋转点向至少一个预设方向的旋转运动。倾斜运动可以是风力涡轮机沿X轴（平行于风向）的滚动。倾斜运动可选地或附加地可以是风力涡轮机沿Z轴（平行于风力涡轮机塔架的纵向）的偏航。倾斜运动可选地或附加地可以是风力涡轮机沿Y轴（垂直于风向和风力涡轮机塔架的纵向）的变桨距。
图1示出了一个安装在浮动地基2上的风力涡轮机1的示范性实施例。风力涡轮机1可包括风力涡轮机塔架3，该塔架具有面向地基2的底部和背离该地基的顶部。一个或多个塔架部分（图未示出）在彼此顶端连接组装，以组成风力涡轮机塔架3。机舱4可设置在风力涡轮机塔架3的顶部。转子轮毂5可连接至机舱4，例如通过转轴（图未示出），该转轴的一端安装至转子轮毂5，并且另一端可转动地安装至机舱4内部的发电机（图未示出）。一片或多片风力涡轮机叶片6可安装至转子轮毂5，其中这些风力涡轮机叶片6构成旋转平面。如图1所示，至少两或三片风力涡轮机叶片6优选安装至转子轮毂5。
至少一个偏航机构，其包括至少一个偏航轴承（图未示出），可设置在风力涡轮机塔架3的顶部。机舱4可连接至偏航机构，该偏航机构设置为相对风力涡轮机塔架3主动或被动地偏航至少该机舱4，使得旋转平面移进风中。这使得旋转平面被置于基本垂直于主风向的位置。
浮动地基2可包括浮体7，该浮体7部分或全部浸入水平面8之下。浮体7可包括至少一个浮力腔9，该浮力腔9可以为至少部分填充压舱物的压舱物腔室。压舱物可以是水样的液体，例如海水，或者是固体，如岩石、沙/砾石、混凝土、金属或其他合适的材料。浮体7可为细长型和/或圆柱体，其中浮力腔9可安置于浮体7的下部。浮体7的上部可以是中空的并填充气态物质，例如空气、氦气或其他合适的气态物质。浮体7可形成为封闭体7，其中气态物质和/或压舱物质包括在浮体7内。浮体7具有面对水平面8的第一端和面对海床10的第二端。上部11可设置在第一端，并可安装至风力涡轮机塔架3的底部。浮体7可由铁、钢或其他合适的材料制成。
调整压舱物和/或气态物质数量的装置，例如泵系统，可设置在浮动地基2上。这使得浮动地基2的浮体7置于水平面8下的预设深度，例如使得上部11部分浸入水平面8之下，如图1所示。或者，基于维护或保养的目的，上部11可置于水平面8之上，或者为了增加风力涡轮机1的稳定性而将上部11置于水平面8之下，例如在超负荷状态如风暴、台风或类似情况下。
浮动地基2可设置为安装在水深约40米或更深的离岸位置。浮动地基2可安置于水平面8之下5米或更深处，该距离从浮体7的重心或中点测得。浮动地基2还可安置使得浮体7的第一端置于水平面8之下5米或更浅处。一个或多个锚固装置12，可以是两、三或更多条锚索或其他合适的锚固机构或系统，可设置为固定住浮动地基2并从而固定风力涡轮机1到位。锚索可连接至浮动地基2，并且一个或多个锚固支撑（图未示出）安置或固定在海床10上。
如图1所示，风力涡轮机1可设置为局部变桨距风力涡轮机，其中至少一片风力涡轮机叶片6包括至少两个叶片部分13、14。风力涡轮机叶片6可包括内叶片部分13，该部分13通过桨距连接器15连接至外叶片部分14。内叶片部分13可包括根端16，该根端16面向转子轮毂5，并设置为通过紧固装置安装至转子轮毂5，该紧固装置例如螺栓/螺母或类似装置。外叶片部分14可包括尖端17，该尖端17背离转子轮毂5。
桨距连接器15可设置为使外叶片部分14相对内叶片部分13变桨距。桨距机构（图未示出）可以是机械、液压或电气单元，可设置在桨距连接器15。桨距控制系统（图未示出）可连接至桨距机构，并设置为调节外叶片部分14的桨距。这使得外叶片部分14倾向或逆向风向。图1示出了叶片部分13、14处于未变桨距位置，其中两个叶片部分13、14在桨距连接器15处的横截面轮廓彼此对齐。桨距机构可设置为使外叶片部分14相对内叶片部分13的桨距角调整为0°至90°。
风力涡轮机叶片6可以由纤维强化塑料或复合材料形成层压体，其中该纤维可以由玻璃、碳纤维、或有机纤维制成。层压体可以使用树脂，例如环氧树脂，由外部系统供给，例如灌注或注射系统注入。
图2示出了风力涡轮机1，其带有外叶片部分14相对内叶片部分13变桨距。桨距控制系统可设置为，根据选定的功率输出曲线或恒定推力值，使外叶片部分14相对内叶片部分13调整桨距角。两个叶片部分13、14对在该结构上产生的弯矩提供了更好的控制，这依次降低风力涡轮机1和/或浮动地基2所承受的倾斜运动。桨距控制系统可在风速超过预设平均风速10至14米/秒，例如12米/秒或更高时启动。由于机舱4和风力涡轮机叶片6的大小和重量，使得其对在该结构产生的弯矩进行进一步线性控制。外叶片部分14可变桨距，使得风力涡轮机1相对其垂直位置倾斜不多于±2°。
内叶片部分13可具有失速控制型气动外形，其由一组预设的规格确定，并提供第一推力值。外叶片部分14可具有桨距控制型气动外形，其由一组预设的规格确定，并提供第二推力值。两个叶片部分13、14的第一和第二推力值可确定作用于转子轮毂5的合推力值。当通过调整外叶片部分14的桨距角以调节第二推力值时，桨距控制系统可设置为使用第一推力值作为参考参数。
内叶片部分13可从根端16延伸至桨距连接器15的一个位置，并确定内扫掠面积。外叶片部分14可从尖端17延伸至桨距连接器15的这个位置，并确定外扫掠面积。内和外扫掠面积确定风力涡轮机叶片6的总扫掠面积。两个叶片部分13、14的相对长度可确定外扫掠面积对内扫掠面积的比率。
风力涡轮机叶片6可具有从根端16至尖端17为35米或更长的长度，对应的相对长度为1。桨距连接器15可安置于相对根端16在相对长度0.20至0.80±10%处。内叶片部分13的相对长度可以是0.20至0.80±10%之间。外叶片部分14的相对长度可以是0.20至0.80±10%之间。
内叶片部分13的气动外形可以形成叶片部分的吸力侧和压力侧，其确定了第一表面面积。外叶片部分14的气动外形可以形成叶片部分的吸力侧和压力侧，其确定了第二表面面积。两个表面面积可确定两个叶片部分13、14的升力和阻力。每个叶片部分13、14的厚度分布和/或弦分布可确定第一表面面积对第二表面面积的比率，该比率可以是0.5至1.5±10%之间。
至少一个测量单元（图未示出）可以是加速度计、GPS单元、角度传感器或其他合适的测量单元可电气连接至桨距控制系统。测量单元可设置为测量风力涡轮机1相对其垂直位置的倾斜度。桨距控制系统可设置为基于所测得的倾斜度调整外叶片部分14的桨距角。可选地或附加地，至少一个其他测量单元可以是风速仪、气象桅杆、转速表或其他合适的测量单元可电气连接至桨距控制系统。该测量单元可设置为测量风速和/或风力涡轮机1传动系统的转速。桨距控制系统可设置为基于风力涡轮机1的倾斜度和/或击中旋转平面的风速，调节外叶片部分14的桨距，使得风力涡轮机1不仅补偿风速产生的推力，还补偿洋流和海浪产生的推力。
图3示出了对比传统的桨距调节型风力涡轮机，根据本发明的风力涡轮机1相对于风速作用在转子轮毂5上的推力图。
在风速低于第一风速W1时，外叶片部分14可置于非变桨距位置，例如桨距角为0°。作用在转子轮毂5的推力18、19可随击中旋转平面和风力涡轮机1的风速的增大而增大。当风速超过第一风速W1时，桨距控制系统启动桨距机构，然后该机构调节外叶片部分14的桨距角。第一风速W1可确定风力涡轮机1达到其额定功率输出时的风速。如果风速增大至超过第二风速W2时，风力涡轮机启动其超负荷程序，并将风力涡轮机1从电网断开。第二风速W2可确定风力涡轮机1的截止风速。第一风速W1可以为10至14米/秒之间，例如12米/秒或更高。第二风速W2可以为25米/秒或更高。
桨距控制系统相对内叶片部分13调节外叶片部分14的桨距角，使得风力涡轮机叶片6保持基本恒定的合推力值。第一曲线18确定，当调整整个风力涡轮机叶片的桨距角时，传统的桨距调节型风力涡轮机承受的推力值。第二曲线19确定本发明的风力涡轮机1承受的合推力值。如图3所示，第一点20可确定一个位置，在该位置风力涡轮机1处于倾斜状态，同时第二点21可确定一个位置，在该位置风力涡轮机1处于非倾斜状态。第三点22可确定一个中间位置，在该位置风力涡轮机1倾向进风方向，使得推力值18、19从第二点21向第一点20移动/改变。
如图3所示，由于机舱4和风力涡轮机叶片6的大小和重量，外叶片部分14相对内叶片部分13的变桨距对在该结构产生的弯矩提供了进一步的线性控制。当调节外叶片部分14的桨距以调节其推力值时，桨距控制系统可使用内叶片部分13的第一推力值作为参考参数。这使得桨距控制系统保持作用在转子轮毂5的合推力值为基本恒定值，这减小了风力涡轮机1的倾斜运动，并且从而减小了在该结构产生的弯矩。如图3所示，传统的桨距调节型风力涡轮机中对桨距的调节18使得推力值显著改变，这依次在风力涡轮机产生大的负阻尼载荷和应力。这些载荷和应力可至少通过使用局部变桨距风力涡轮机1而显著降低。
桨距控制系统可基于风力涡轮机1的倾斜和/或击中旋转平面的风速，调节外叶片部分14的桨距角，该倾斜和/或风速由设置在该结构，例如风力涡轮机1上的一个或多个测量单元测得。
合推力值可调整至恒定值的±10%范围内。该恒定值可由额定风速确定，例如风力涡轮机1的W1，并且可以是在该风速的合推力值的80至120%之间。变桨距可以由桨距控制系统完成，使得风力涡轮机1相对其垂直位置倾斜不多于±2°。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机，包括：
‐风力涡轮机塔架(3)，其具有顶部和底部；
‐机舱(4)，所述机舱(4)设置在风力涡轮机塔架(3)顶部；
‐转子轮毂(5)，所述转子轮毂(5)可转动地安装至机舱(4)；
‐至少一片风力涡轮机叶片(6)，所述风力涡轮机叶片(6)安装至转子轮毂(5)，其中所述至少一片风力涡轮机叶片(6)构成旋转平面；
‐浮动地基(2)，所述浮动地基(2)具有上部(11)，所述上部(11)安装至风力涡轮机塔架(3)的底部，其中所述地基具有浮体(7)，并设置为安装在具有预定水深的离岸位置；以及
‐桨距控制系统，
其特征在于：
‐所述至少一片风力涡轮机叶片(6)包括至少带有第一气动外形的内叶片部分(13)和带有第二气动外形的外叶片部分(14)，其中内叶片部分(13)安装至转子轮毂(5)，外叶片部分(14)通过至少一个桨距连接器(15)连接至内叶片部分(13)，所述桨距连接器(15)在风速超过第一风速(W1)时相对内叶片部分(13)调整外叶片部分(14)的桨距角，作用在内叶片部分(13)的风速确定第一推力值，并且作用在外叶片部分(14)的风速确定第二推力值，其中桨距控制系统设置为通过调整外叶片部分(14)的桨距角，相对于第一推力值来调节第二推力值，使得作用在转子轮毂(5)上的合推力值保持在基本恒定值。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述内叶片部分(13)具有失速控制型气动外形，且所述外叶片部分(14)具有桨距控制型气动外形，其中两个叶片部分(13、14)确定了作用在转子轮毂(5)上的所述合推力值。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述内叶片部分(13)从所述至少一片风力涡轮机叶片(6)的根端(16)延伸至桨距连接器(15)的一个位置，并且，所述外叶片部分(14)从所述至少一片风力涡轮机叶片(6)的尖端(17)延伸至桨距连接器(15)的所述位置，其中桨距连接器(15)位于相对于根端(16)的相对长度0.20±10％至0.80±10％之间处。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于，所述桨距连接器(15)位于相对于根端(16)的相对长度0.30±10％至0.70±10％之间处。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述内叶片部分(13)的第一气动外形确定第一表面面积，所述第一表面面积确定所述内叶片部分的吸力侧和压力侧，且所述外叶片部分(14)的第二气动外形确定第二表面面积，所述第二表面面积确定所述外叶片部分的吸力侧和压力侧，其中第一表面面积对第二表面面积的比率在0.5至1.5±10％之间。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其特征在于，所述比率为1±10％。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，桨距控制系统设置为根据预设的功率输出调节外叶片部分的桨距角。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述桨距控制系统电气连接至少一个测量单元，所述测量单元用于测量风力涡轮机(1)相对其垂直位置的倾斜度，其中所述桨距控制系统设置为基于所测得的倾斜度调节外叶片部分(14)的桨距角。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第一风速(W1)的平均值为10至14米/秒。
10.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述桨距控制系统将所述合推力值调节至所述恒定值的公差范围内，所述公差范围为±10％、±5％、±2％或±1％。
11.一种控制根据权利要求1‐10中任一项所述的风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括至少一片风力涡轮机叶片(6)，所述叶片(6)安装至转子轮毂(5)，所述轮毂(5)紧接着可转动地安装至机舱(4)，所述机舱(4)设置在风力涡轮机塔架(3)的顶部，所述塔架(3)紧接着安装至具有浮体(7)的浮动地基(2)上，其中所述至少一片风力涡轮机叶片(6)在平均风速大于第一风速(W1)时调整桨距角，其特征在于，相对所述至少一片风力涡轮机叶片(6)的内叶片部分(13)调整风力涡轮机叶片(6)的外叶片部分(14)的桨距角。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，变桨距相对预设的功率输出进行调节。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述内叶片部分(13)确定第一推力值，并且所述外叶片部分(14)确定第二推力值，其中变桨距相对第一推力值进行调节，使得作用在转子轮毂(5)上的合推力值保持在基本恒定值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述合推力值调节至所述恒定值的公差范围内，所述公差范围为±10％、±5％、±2％或±1％。
15.根据权利要求11‐13的任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少一个测量单元测量风力涡轮机(1)的倾斜度，其中基于所测得的倾斜度对外叶片部分(14)进行变桨距调节。
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