CN105264221A - 用于通过转子的偏转力矩使风能设施定向的方法 - Google Patents

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Abstract

在风能设施(10)中与最佳运行状态的偏差引起功率减小。这尤其适用于在吊舱(14)以及进而转子轴线(28)相对于风向(60)的定向中的角度偏差(62)。本发明涉及一种风力设备(10)和一种用于运行这样的风力设备的方法，借助所述风力设备或方法能够实现吊舱(14)关于风向的基于风力的马达驱动式追踪。

Description

用于通过转子的偏转力矩使风能设施定向的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于运行风能设施的方法。此外，本发明涉及一种根据权利要求9的前序部分所述的风能设施。最后，本发明涉及一种根据权利要求12的前序部分所述的用于风能设施的控制装置。
背景技术
现代风能设施的特征在于大的功率以及进而所伴随的相应的结构尺寸。近年来，这些设施的数米转子直径的尺寸和数十至数百千瓦的初始功率发展到目前每设施高于百米的转子直径和数兆瓦的功率。此外，风能设施现今不仅架设在陆地上(岸上)，而且也越来越多地架设在高海上(离岸)。除了在传动装置和发电机技术的领域中的技术发展以外还尝试尤其是解决材料负载的困难和风能设施的最佳控制。在此面对的风能设施具有支承在被可转动地支承的吊舱上的转子，所述转子具有至少一个、优选两个或四个转子叶片。
在当前的大的转子直径的情况下，不仅对于转子的不同叶片观察到显著不同的风速和部分风向，而且也在单独的叶片中观察到。这种在负载方面的差异不仅瞬间出现而且也或多或少地在转子转动过程中周期性地出现。此外，除了不同的风速和风向以外，还观察到空气湍流、阴影和具有相应偏转力的局部加强的叶片负载。这些困难中的多个困难已经通过所谓的背风转子()最小化，即设置在吊舱的背风侧上的转子。两叶或多叶几何结构用于使构造相对于典型的三叶设施明显更不复杂。
应尽可能避免由于并非最佳的运行状态而产生的功率下降。例如，通常在转子轴线和风向之间存在角度偏差、即风向变化或吊舱向外转动的情况下对转子进行马达驱动式追踪，因为否则设施的功率显著下降。在现有技术中，对此通常将所谓的追踪马达安置在吊舱上，所述追踪马达能够使整个吊舱围绕竖直轴线转动以追踪风向。
在此缺点是，对于该再调节需要能量。此外，所产生的力大到使得通常高的追踪速度和低的能量耗费被排除。而一般来说应能够以尽可能少的调节量来实现风能设施在最佳运行状态下的持续运行。
发明内容
本发明所基于的目的在于，提出一种风能设施和一种相应的用于运行该风能设施的方法，以便克服现有技术的所描述的缺点。
具有权利要求1的特征的方法实现所基于的目的。首先确定吊舱位置与额定位置的角度偏差。该方法的特征在于，每个转子叶片的叶片节距角被个别地和/或持续地调整。所述调整这样发生，使吊舱向额定位置转动以便追踪转子轴线。在此利用的是，通过改变叶片节距角能够将不同大小的力作用到不同的叶片上。为此，在垂直线的相对置的两侧上的两个转子叶片的叶片节距角被不同地调节，使得因此通过不同的力获得合成的偏转力矩。总体上，这引起转动力矩作用到吊舱上，使得所述吊舱在正确调整叶片时围绕竖直轴线转动。因此优选沿风向实现吊舱的追踪。此外，为此使用叶片节距角的为了匹配不同风速而存在的控制装置。因此，叶片节距角(即转子叶片相对于转子的旋转平面的转动角)在转子转动期间动态地适配。由于大的转子直径和在每转至少一秒、典型地为多秒的周期持续时间内的相应小的转动速度，动态地且个别地、即单独地调整每转子叶片的转子叶片节距角是可行的。
优选地，吊舱的转动通过风力和/或马达驱动力实现。特别优选地，在超出吊舱位置与额定位置的预先确定的角度偏差、极限值时，首先进行吊舱的马达驱动式转动以进行追踪。角度偏差涉及吊舱的两个转动方向。极限值能够预先确定，其中所述极限值尤其能够出于技术原因获得。吊舱相对于风向成90°角度例如引起：转子的转动平面平行于风向并且因此转子实际上不再能够被驱动。马达驱动式转动进行，优选至少直至低于预先确定的角度偏差。尤其是，马达驱动式追踪能够至少进行至能够通过风力进行另一追踪。此外优选地，马达驱动式转动进行，至少基本上直至到达额定位置。以这种方式确保：通过马达驱动力确保在偏差过大的情况下的追踪，所述偏差通过仅由风力引起的转动无法被补偿或者仅能困难地补偿。因此，低于预先确定的角度偏差，马达驱动力和风力都能够用于追踪。
特别优选地，吊舱的转动至少有时被抑制。该抑制、尤其是该抑制的强度尤其是可设定的。优选地，该抑制借助于至少一个抑制元件进行。抑制元件尤其是具有可设定的和/或可调节的抑制效果，其中优选抑制强度。抑制用于使自由转动的吊舱同时被稳定地定向并且能够相对于通过改变叶片节距角引起的风力而屈从以用于扭转吊舱。抑制是必要的，以便避免不期望的吊舱的自由转动。特别优选地，抑制通过马达、尤其是电动马达、液压动力系统(尤其液压动力的耦联器和/或制动器)进行。
此外优选地，每两个相对置地设置在转子毂上的转子叶片在相应的节距角改变时至少基本上相对于彼此以相反的和/或以反向的方式调整，优选同时调整。由此优选因改变叶片节距角引起的力矩至少部分地被补偿。此外，例如在相对置的转子叶片从一个竖直半空间到另一个竖直半空间的过渡部中，即在转子叶片在转子转动时的上部的和下部的过零点处，叶片位置相应地匹配于用于每个转子叶片的相应的另一个半空间是必要的。
优选地，相对于风向和/或沿风向的定向和/或在转子轴线和风向之间的角度或角度范围被作为吊舱的额定位置的基础。特别优选地，转子轴线的定向至少基本上沿风向或者平行于风向进行。在该情况下，转子获得其最佳功率。尤其是进行用于将风向和当前的吊舱位置之间的角度偏差最小化的追踪。
特别优选地，进行当前风向和/或吊舱的当前转动角的测量，尤其是相对于塔和/或相对于风向的定向的测量。所述测量尤其是用于优选借助于控制装置确定角度偏差。然后，基于所述测量计算出相应的角度偏差，以便由此出发确定用于控制风能设施的运行参数的相应参数。为了测量风向，尤其是使用机械的、电气的和/或支持辐射的测量仪。优选地，尤其是考虑优选具有风速计的风力显示器、雷达、激光雷达等。替选地或补充地，通过确定转子叶片的负载也能够确定吊舱相对于风向的相对位置、即角度偏差。为此，转子叶片的尤其在转子的不同转动位置中的不同负载被作为基础，以便获得对吊舱相对于风的相对位置的推断。
此外优选地，确定吊舱的当前位置或实际位置和/或吊舱相对于额定位置的角度偏差。特别优选地，角度偏差的确定基本上持续地进行。更优选地，这尤其是为了个别地调节叶片节距角的设定而进行。叶片节距角基于测量结果和/或尤其是基于所描述的边界数据来确定并相应地设定。因此优选实现：确保最佳地控制运行参数。
在本发明的一个优选的实施形式中，尤其是为了减小风能设施的、尤其是转子叶片的负载而改变每个叶片的叶片节距角。对此优选地，确定风能设施的至少一个组件的当前负载，优选至少一个转子叶片的、尤其是每个转子叶片的当前负载。优选地，尤其是通过测量叶片弯曲、优选借助于应变测量，进行至少一个转子叶片的负载测量。为此尤其使用至少一个应变片。为此优选分别为每个转子叶片设置至少一个应变片。因此，尤其个别地调节叶片节距角能够确保减小风能设施的部件的负载。对当前的运行参数(如叶片弯曲)进行持续地和周期性地、即循环地响应能够尤其是通过例如由风流产生的定期和/或不定期的负载实现。
本发明所基于的目的此外通过一种具有权利要求9的特征的风能设施得以实现。所述风能设施尤其构成用于执行上述方法。该风能设施具有带有至少一个转子叶片和优选两个或四个转子叶片的转子。转子叶片可转动地支承在被水平可转动地支承的吊舱上。每个转子叶片与其余的转子叶片无关地围绕其纵轴线被可转动地支承在转子毂上。在此，设有至少一个用于将每个转子叶片围绕其纵轴线个别地转动以改变叶片节距角的装置。此外，该风能设施具有用于确定吊舱的实际位置和/或吊舱的位置相对于额定位置的偏差的测量装置。该风能设施的特征在于，吊舱能够通过设定和改变至少一个叶片的叶片节距角而转动，以便将与额定位置的偏差最小化和/或以便到达额定位置。特别优选的是，转子叶片能够围绕其纵轴线转动以便改变叶片节距角，使得因此实现吊舱围绕其竖直轴线的偏转力矩和转动。因此，吊舱位置与额定位置的偏差应被最小化或者风能设施的部件的负载应被最小化。
优选的是，设有至少一个测量仪，所述测量仪用于确定当前风向和/或确定当前吊舱位置或转动和/或风能设施的至少一个部件的负载。作为测量仪尤其考虑上面已经提到的仪器。特别优选的是，设有控制装置，以优选借助于至少一个控制设备来确定相应的叶片节距角的偏差和/或动态变化。基于借助于测量仪确定的测量值能够实现动态地控制风能设施的运行参数。优选地，进行对上面已经描述的最佳运行参数的控制。
此外优选的是，每两个相对置地设置在转子毂上的转子叶片能够至少基本上完全同向地和/或反向地转动，优选至少基本上同时地、尤其以类似的值转动。这能够实现至少部分地补偿转子叶片在相应转动中的力矩。
本发明所基于的目的此外通过一种用于根据前述权利要求之任一项所述的风能设施的控制装置来实现。所述控制装置构成用于体现用于控制风能设施的强制性地和/或选择性地描述的特征。主要而言，该控制装置用于控制风能设施在最佳运行范围内并且特别是用于保持该最佳运行范围。
附图说明
下面借助于附图详细描述本发明的优选实施例。在附图中：
图1示出根据本发明的风能设施的立体图；
图2示出图1的风能设施的从上方观看的俯视图；
图3示出具有相关机械装置的吊舱支座的局部图；并且
图4示出涉及吊舱转动的机械装置的局部侧视图。
具体实施方式
风能设施10包括承载设备、如尤其是塔12，在所述塔的上端部上设置有所谓的吊舱14。吊舱14具有壳体16，在所述壳体的内部设置有典型不同的在此未示出的技术单元、如尤其是传动装置、发电机、控制装置等。
作为重要的元件，吊舱14承载转子20，所述转子在此具有两个转子叶片22和24，所述转子叶片在一侧固定在中央转子毂26上。转子20构成用于在风中转动、进而驱动相应的发电机以产生电能。为此，转子叶片22和24的横截面具有翼形形状。转子20的转动方向在图1中通过相应的箭头标明。在此，转子20围绕转子轴线28在由转子叶片22、24和一条直线形成的平面中转动，所述直线同时既垂直于转子叶片22和24或叶片轴线30也垂直于转子轴线28延伸。
在该情况下，风能设施10为所谓的双叶片式设施。这意味着，转子20具有恰好两个转子叶片22和24。在此，转子叶片22和24出于对称原因分别以基本上垂直于转子轴线28且在一条直线、所谓的叶片轴线30上延伸的方式设置，所述叶片轴线自身穿过转子毂26的中心延伸。转子轴线28在此基本上沿纵向方向穿过吊舱14的壳体16并且通常至少基本上水平地延伸。
转子叶片22和24围绕叶片轴线30可转动地设置。为此，在转子毂26的区域中设有相应的叶片支座32。可转动性在附图中通过相应的环形箭头标明。
在此所描述的风能设施10是所谓的背风转子。这意味着，转子20在风能设施10的背风侧上旋转，即风首先扫过吊舱14，从而则可以说在背侧撞到转子20上。这用表明主风向的下降34标明。但是原则上，本发明也能够在所谓的迎风转子中应用，即在具有朝向风的转子的风能设施中应用。
转子叶片22和24在其叶片端部36和38的区域中根据相应的风力载荷而沿如由箭头34示出的主风向的方向弯曲。因此，通常在转子叶片22和24的表面区域中为了确定转子叶片的压弯而设置有所谓的应变片40。因为应变片40至少在受强烈负载的叶片端部36和38的区域中、但是通常基本上沿着整个转子叶片22和24延伸，因此能够实现对叶片弯曲的测量。必要时，应变片40也能够设置在转子叶片22、24的两侧上，以便例如能够更准确地吸收叶片的振荡运动。
为了转动这两个转子叶片22和24，在转子叶片22或24、转子毂26或吊舱14的区域中设置有调整装置，以使转子叶片22和24围绕叶片轴线30转动。其在此通常是马达驱动的、尤其是液压的和/或电动马达驱动的调整装置。此外，转子叶片20和24能够被单独地并且彼此无关地调整。为此既能够设置共同的调整装置也能够设置单独的调整装置。
吊舱14围绕吊舱转动轴线18相对于风能设施10的塔12被可转动地支承。为此一方面使用由外支承环44包围的内支承环42。外支承环44与塔12的上端部区域连接。内支承环42安装在吊舱14上。内支承环42借助相应的支承机构、尤其是作为滚珠轴承或滚子轴承能够在外支承环44上移动，即所述内支承环和外支承环尤其是可相对于彼此转动地支承。在此，内支承环42装配到外支承环44的内圆中。在其之间插入支承机构56，例如滚珠或滚子，并且必要时插入间隔件58。与此相应地，吊舱14连同内支承环42将外支承环44低摩擦地可转动地支承在塔12上。
齿轮48借助于轴线52与驱动单元54连接，所述驱动单元可转动地支承在吊舱14上。驱动单元54包括多个在此没有详细示出的组件。一方面轴线52与传动装置连接。所述传动装置经由液压动力的耦联器与电动马达连接。
在用于驱动吊舱14的运行模式中，电动马达驱动，同时液压动力的耦联器开动。因此，电动马达的力经由传动装置和齿轮48传递到齿圈46上。这引起吊舱相对于塔12转动。
在作为抑制元件50运行时，电动马达被锁定。因此，齿轮48仅能够克服液压动力的耦联器的阻力而转动。这导致通过液压动力的耦联器的制动力来抑制吊舱14的转动。齿轮48和驱动单元54因此也共同地称为抑制元件50。
根据本发明的方法优选如下进行：
因为转子20的定向与沿风向的最佳位置的偏差导致功率下降，所以确定相对位置、即所谓的角度偏差。作为转子20的重要轴线使用居中穿过转子毂26延伸的转子轴线28，所述转子轴线同时是转子20的转动轴线。
为了确定转子20或吊舱14相对于风向的当前相对位置，例如能够使用风向测量仪。该测量仪能够固定在吊舱14上或固定在风能设施10的地点固定的或不随同转动的部件上、如尤其是固定在塔12上，亦或固定在外部保持装置上。该测量仪例如能够是可能具有风速计的风向标、雷达、激光雷达(LIDAR，LightDetectionAndRanging)等。此外能够通过测量在转子叶片22、24上的不同风力载荷和由此得出的不同叶片弯曲而推断出风向。该测量方法能够单独地或者以与已知的风向测量方法组合的方式使用。
在随同转动的吊舱14上固定提供下述优点：所述风向测量仪在无需对吊舱位置进行附加测量的情况下例如已经显示出偏差。而例如在塔12上的地点固定的风向测量还必须附加地确定吊舱14相对于塔12的位置，以便能够计算出在吊舱位置和风向之间的偏差。所测量到的或所计算出的在转子轴线26和风向之间的角度在此称为偏差。该偏差优选以短序列被周期性地确定，以便例如在转子轴线46的位置或风向改变时随时获得当前偏差。
在另一步骤中确定偏差是否位于预设的极限之内。然后基于此能够做出关于待使用的用于追踪吊舱14的机构的决定。一方面能够进行马达驱动式追踪，但是另一方面也能够通过风力进行追踪。如果偏差低于预设的极限值，那么通常引入通过风力进行的追踪，否则引入至少一部分马达驱动式追踪。
此外，当在此期间通过吊舱14围绕吊舱轴线18仅沿一个转动方向多次完全地旋转而引起从吊舱出发的缆线在塔12内部扭转时，以马达驱动的方式进行追踪。然后为了将该扭转再次松开，可能沿反方向进行马达驱动式旋转。
作为用于风力驱动的追踪的极限值，确定典型地在两侧处于5°和90°之间的、典型小于例如60°的角度偏差。在低于的情况下，追踪能够仅通过风力毫无困难地进行。在高于的情况下，能够以马达驱动的方式实现完全的追踪。替选地能够回溯至用于风力驱动的追踪的规定区间中，即直至偏差小于规定的最大角度偏差。但是至少，马达驱动式追踪通常在高于例如90°的角度偏差时进行，因为转子20不然以垂直于风向旋转的方式实际上不再受到驱动。因此在该位置中，基于风力的追踪通常不再能够起作用。
马达驱动式追踪在此借助于电动马达进行。为此，这样的电动马达已经能够作为抑制元件50的部件构造。作为驱动装置，马达这样驱动，使得经由齿轮48将吊舱14相对于在外支承环44上的齿圈46、进而相对于塔12转动。所述转动要么维持直至吊舱14相对于风向的角度偏差小于规定的极限值，要么甚至实际上减小到零。
风力驱动式追踪通过个别地调整转子叶片22和24的叶片节距角、所谓的个别叶片角度调整(“individualpitchcontrol”(IPC))实现。为此，两个转子叶片22和24的叶片节距角彼此无关地改变，使得总共所引起的偏转力矩、即转动力矩作用到吊舱14上。这通过将转子叶片22、24围绕其叶片轴线30转动实现。为了施加相反指向的力，需要恰好反向地转动转子叶片22、24，尤其以相同的、但是反向的转动角转动。所引起的偏转力矩由于风力而确保吊舱14的转动，进而确保用于减小角度偏差的追踪。抑制元件50在此还用于延迟相对于塔12可自由转动的吊舱14的转动。
详细而言，个别的叶片角度调整(IPC)如下进行：
首先确定吊舱14相对于目前的风向60的当前相对位置，即可能的角度偏差62。这能够以上面所描述的方式进行，即例如通过风向测量或经由叶片负载进行。因此只要确定在当前风向60和转子轴线28之间的角度偏差，控制装置就允许通过调整叶片角度进行追踪。为此，转子叶片22和24如上文中所描述的那样为了调整叶片节距角、所谓的“pitch”而围绕自身的纵轴线、即叶片轴线30被可转动地支承。
在此，转子叶片22和24的转动沿相反的转动方向进行，使得两个叶片22和24将所引起的相反的风力64或66经由转子轴线28施加到吊舱14上。因此转动力矩或所谓的偏转力矩68施加到吊舱14上。因此，吊舱14沿所施加的偏转力矩68的方向转动，使得通过所述追踪减小当前的角度偏差62。
所述测量和追踪通过控制几乎持续地或以高的重复率、即尤其是每秒多倍直至四倍的重复率实施。因此，该控制能够随时对所改变的风力条件作出响应。
附图标记清单
10风能设施
12塔
14吊舱
16壳体
18吊舱转动轴线
20转子
22转子叶片
24转子叶片
26转子毂
28转子轴线
30叶片轴线
32叶片支座
34箭头
36叶片端部
38叶片端部
40应变片
42内支承环
44外支承环
46齿圈
48齿轮
50抑制元件
52轴线
54驱动单元
56支承机构
58间隔件
60风向
62角度偏差
64风力
66风力
68偏转力矩

Claims (12)

1.一种用于运行风能设施(10)的方法，所述风能设施具有支承在被可转动地支承的吊舱(14)上的转子(20)，所述转子具有至少一个转子叶片、优选两个或四个转子叶片(22、24)，其特征在于，确定吊舱位置与额定位置的角度偏差(62)，其中，每个转子叶片(22、24)的叶片节距角被个别地和/或持续地调整，从而引起吊舱(14)向所述额定位置的转动以便追踪转子轴线(28)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，吊舱(14)的转动或追踪通过风力和/或马达驱动力实现，其中，优选通过偏转力矩(68)实现尤其是所述角度偏差(62)的最小化，和/或其中，优选在超出吊舱位置(14)与额定位置的预先确定的角度偏差(62)时进行吊舱(14)的马达驱动式转动，优选至少直至低于所述预先确定的角度偏差，特别优选至少基本上直至到达所述额定位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，吊舱(14)的转动至少有时优选借助于至少一个抑制元件受到抑制，其中，所述抑制元件(50)具有可设定的抑制效果，在此优选抑制强度和/或方向是可设定的、优选是可无级设定的。
4.根据上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，每两个相对置地设置在转子毂(26)上的转子叶片(22、24)在所述叶片节距角改变时通过所述转子叶片(22、24)的转动至少基本上相对以相反的和/或反向的方式被调整，以便优选补偿由此所引起的力矩。
5.根据上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，相对于风向(60)和/或沿风向的定向和/或在转子轴线(28)和风向(60)之间的角度或角度范围被作为吊舱(14)的额定位置的基础，优选以转子轴线(28)至少基本上沿风向(60)的定向作为吊舱(14)的额定位置。
6.根据上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，尤其是为了确定角度偏差(62)，优选借助于控制装置来测量当前风向(60)和/或吊舱(14)的当前转动角、尤其是测量相对于塔(12)和/或相对于风向(60)的定向，其中，优选使用测量装置来测量风向(60)。
7.根据上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，确定所述吊舱的实际位置和/或所述吊舱与额定位置的角度偏差，优选至少基本上持续地和/或为了调节叶片节距角的设定而进行确定。
8.根据上述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于，为了减小所述风能设施(10)或其组件、尤其是所述转子叶片(22、24)的负载，个别地改变每个所述转子叶片(22、24)的叶片节距角，其中优选地，确定所述风能设施(10)的至少一个组件的、优选至少一个转子叶片(22、24)的、尤其是每个所述转子叶片的当前负载，尤其是借助于测量叶片弯曲、优选借助于尤其是通过至少一个应变片(40)进行的应变测量来进行确定。
9.一种风能设施，尤其是用于执行根据上述权利要求之任一项所述的方法，该风能设施具有：支承在被水平可转动地支承的吊舱(14)上的转子(20)，所述转子具有至少一个转子叶片、优选两个或四个转子叶片(22、24)，其中，每个所述转子叶片(22、24)与其余的转子叶片(22、24)无关地围绕其纵轴线、即叶片轴线(30)被可转动地支承在转子毂(26)上；至少一个用于使每个所述转子叶片(22、24)围绕其纵轴线个别地转动以改变叶片节距角的装置；用于确定吊舱(14)的实际位置和/或吊舱(14)的位置相对于额定位置的角度偏差(62)的测量装置，
其特征在于，吊舱(14)能够通过设定和/或改变至少一个所述转子叶片(22、24)的叶片节距角而转动，以便将与额定位置的角度偏差(62)最小化和/或以便到达所述额定位置。
10.根据权利要求9所述的风能设施，其特征在于，设有至少一个用于确定当前风向(60)的测量仪和/或用于确定当前吊舱位置或当前吊舱转动和/或所述风能设施(10)的至少一个组件的负载的测量仪，其中优选设有控制装置，用于确定所述角度偏差(62)和/或相应的叶片节距角的动态的和/或个别的变化。
11.根据权利要求9或10所述的风能设施，其特征在于，每两个相对置地设置在所述转子毂上的转子叶片(22、24)能够以至少基本上同向的方式或反向的相反的方式转动。
12.一种用于根据上述权利要求之任一项所述的风能设施(10)的控制装置。
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