CN107002634B - 风能设备的设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于设计风能设备(100)的方法，所述风能设备具有发电机和转子，所述转子具有转子叶片，所述方法包括下述步骤：对于计划的架设地点确定待设计的所述风能设备(100)的尺寸，尤其转子直径和轴高度，针对减小的最大负荷设计所述风能设备(100)，所述减小的最大负荷低于当50年一遇的阵风从最大受负荷侧撞击到所述风能设备(100)上时所出现的最大负荷。

Description

风能设备的设计
技术领域
本发明涉及一种用于设计风能设备的方法以及一种相应的风能设备。本发明此外涉及风能设备的运行。本发明还涉及一种具有多个风能设备的风电场以及一种用于运行这种风电场的方法。
背景技术
风能设备一般而言是已知的并且所述风能设备从风能中产生电流。风能设备在此能够完全粗略地根据其额定功率和风场来分类，也就是说，根据按照经验风能设备的所计划的所在地处的风多强来分类。除此之外，将风能设备设计为，使得所述风能设备承受所谓的50年一遇的阵风。在此，基于如下基本思想，在统计学上整个50年出现如此大的阵风，所述阵风能够在机械方面危害或者甚至损坏风能设备。也就是说，风能设备必须能够承受住这样的阵风，而不被损坏或者不被严重损坏。
为了保护风能设备免受风暴损坏，已经已知的是，在风速非常高时切断风能设备并且在此之前使转子叶片处于所谓的顺桨位置。因此，风能设备在这种状态中不再运行从而能够更好地承受强的风速。这也包括因50年一遇的阵风引起的负荷。
尽管如此，风暴情况并且尤其在此出现的50年一遇的阵风仍然能够施加强的力到风能设备的部件上。除了这种50年一遇的阵风的高的风速外还存在的问题是：这种50年一遇的阵风会不可预见地并且相当具有冲击性地出现。在无风时或者弱风时不将50年一遇的阵风考虑在内，但是在风暴风速时需考虑在内。但是当基本上考虑50年一遇的阵风时，仍然无法预测是否不久就出现一个50年一遇的阵风或者不出现。
因此，风能设备必须相当稳固地，即在机械上稳固地设计。对于这种负荷而言尤其关键性的或易受影响的是风能设备的塔、转子叶片、用于承载部件的机器承载件和风能设备的地基，所述部件包括发电机从而包括空气动力学的转子，如果无论如何都使用无传动装置的风能设备的话。
因此，相应地仅由于下述原因就会产生非常高的成本：风能设备必须针对在统计学方面来看在50年中出现一次的这一事件来设计。特别地，刚刚提到的可能尤其易受影响的部件必须相应地设计，这会导致成本相当昂贵。
在此，尤其在有相当抵抗力地设计转子叶片时需考虑在内的是，这需要一定的材料使用从而需要一定的重量。相应地，需考虑转子叶片的这种因机器承载件和/或转子叶片的支承装置引起的大的重量。也就是说，这些元件因此同样必须设计成大尺寸的。这也适用于其它元件并且最终地基必须承受所有这些重量并且同时承受相应的风负荷。
发明内容
因此，本发明基于下述目的，针对在上文中所提到的问题中的至少一个。特别地，应降低因考虑50年一遇的阵风而引起的耗费。关于迄今为止已知的解决方案至少应提出一种替选的解决方案。
根据本发明提出一种用于设计风能设备的方法。据此设计风能设备，所述风能设备具有至少一个发电机和空气动力学的转子，所述转子具有转子叶片。首先，基本上针对计划的架设地点确定待设计的风能设备的尺寸。这尤其涉及对转子直径和转子的轴高度的预设。其中在此以水平轴转子为出发点。此外，本发明基本上以具有三个转子叶片的转子为出发点，其中基本发明思想并不受限于此。转子直径涉及转子叶片在运行时所描述的圆。
如此从第一基本数据方面确定的风能设备此时针对减小的最大负荷来设计，即针对如下负荷来设计，所述负荷低于当50年一遇的阵风从最大承受负荷侧撞击到风能设备上时出现的最大负荷。
在此首先已经认识到，风能设备虽然必须针对50年一遇的阵风设计，即风能设备必须承受住50年一遇的阵风，但是所述风能设备不一定必须承受住来自任意方向的50年一遇的阵风。
这也基于如下基本思想：虽然出现50年一遇的阵风几乎是无法预测的，但是这种50年一遇的阵风来自的方向绝对是可以差不多已知的。也就是说，这种50年一遇的阵风与已经存在的高的风速相关联地出现。并且在风速高时尽管有紊流，但是风速的大致方向从而50年一遇的阵风可能来自的大致方向，即风在那一刻来自的方向，分别差不多是已知的。
因此，此时可行的是，与必须承受住来自任意方向的50年一遇的阵风相比，更弱地设计风能设备。
当至少保证50年一遇的阵风不从最大受负荷侧撞击风能设备时，针对这种减小的最大负荷的设计尤其能够是有意义的。
优选地，风能设备针对减小的最大负荷来设计，所述减小的最大负荷当50年一遇的阵风从不引起最大负荷的方向撞击到风能设备上时出现。尤其有利的是，针对如下减小的最大负荷设计，所述减小的最大负荷当50年一遇的阵风从引起最小的负荷的方向撞击到风能设备上时出现。
在最大地出现负荷的情况下关键的能够是转子叶片的位置。当转子叶片处于顺桨位置中时，这在风速非常高时是常规位置，侧向地撞击到风能设备的吊舱上的阵风例如会引起高的，可能最高的负荷。
优选地，减小的最小负荷是当50年一遇的阵风从前方撞击到风能设备上时，尤其当转子叶片处于顺桨位置中时出现的负荷。阵风因此在转子叶片上具有小的作用面。此外，转子叶片以其前缘指向风或阵风，而以其后缘沿着相反的方向指向，并且转子叶片在这种定向中，即从前缘至后缘，是尤其刚性的。因此对于这种情况，转子叶片在沿着该作用方向具有高的稳定性的同时仅提供非常小的作用面。
但是与阵风侧向地撞击到风能设备的吊舱上相比，阵风从前方撞击到风能设备吊舱上也引起更小的负荷，因为与从前方相比吊舱侧向地提供更多的作用面。此外，吊舱的设计主要针对来自前方的风。
因此，风能设备可能相应地针对当50年一遇的阵风从前方撞击到具有处于顺桨位置中的转子叶片的风能设备上时出现的负荷来设计。如果针对这种情况来设计，那么与当阵风从任意侧或从任意方向，尤其侧向地撞击时相比，能够实行更弱的设计方案。因此，部件此时能够更弱地设计，这能够引起在若干位置处的节约。除了原则上材料节约的潜在性外，必要时甚至能够涉及运输并且还有用于设立风能设备的起重机的尺寸或起重能力。
优选地，减小的最大负荷是当50年一遇的阵风从前方一个扇区撞击到风能设备上时出现的负荷，所述扇区尤其例如表示前方+-20°的区域。因此，在这种情况下提出：风能设备针对在50年一遇的阵风来自该前方的扇区时会出现的负荷来设计。由此，缩减的设计方案是可行的，但是同时对于前方的阵风的可能的出现方向保留一定公差。因此，与针对来自任意方向的阵风相比更细长地设计风能设备，但是同时不受限于恰好一个撞击方向。
如此细长地设计的风能设备因此随后也应当运行为，使得这种50年一遇的阵风也仅从如下区域撞击到风能设备上，设备由此已经针对所述区域来设计。通过确定这种前方的扇区，尤其在该+-20°的区域上的扇区，找到一种能实际应用的折衷方案。
优选地，风能设备的针对减小的最大负荷的设计方案涉及下述列表中的部件的至少一个，包括：
-用于容纳发电机的吊舱，
-用于承载吊舱的塔，
-用于承载塔的塔地基，和
-转子叶片。
此外，根据本发明提出一种用于运行风能设备的方法。该方法首先以如下风能设备为前提，所述风能设备配设有方位角调节装置，以便在运行时使风能设备朝向风定向。此外，风能设备配设有可调节的转子叶片，以便针对当前的风速设置转子叶片并且必要时使其旋转到风中。由此，将风能设备的这种运行理解为风能设备的定向并且风能设备在此通常不再产生电流。但是只要风力条件——和其它条件——再次被允许，那么风能设备也再次运行，使得其产生电流。
所述方法此时提出：在有风暴的情况下，当无法排除50年一遇的阵风的出现时，或者尤其当50年一遇的阵风的出现是极其有可能时，风能设备在其方位角位置中定向到风中，使得出自当前的风向的50年一遇的阵风仅引起减小的最大负荷。
由此提出：风能设备即使在风暴情况中，即与风能设备是否运行无关，也朝向当前的风定向。因此，即使当空气动力学的转子不再使风能设备旋转并且风能设备不产生电流时，尤其因为所述风能设备出于风暴安全的原因不再产生功率，所述风能设备仍然旋转到风中并且也相应地跟随风。
在转子叶片处于顺桨位置期间，优选进行风能设备的这种通过其方位角位置进入到风中的定向。
优选地，风能设备尤其在风暴情况下通过其方位角位置定向到风中并且跟随风，其中当无法从供电网和/或由发电机获取功率或者无法从供电网和/或由发电机获取足够的功率时，通过能量储存器提供为此所需要的功率。因此，这尤其涉及如下情况：风能设备不再处于生产运行模式。这包括如下情况：风能设备由于过高的风速而不再运行以进行其自身的保护。但是也包括如下情况：在所述情况中，风能设备出于电网保护的原因不再向电网馈电，尤其也不再与电网连接。这也包括如下情况：风能设备已经完全设立，但是其首次运行尚未进行。
据此提出：风能设备在任何情况下，至少在风暴情况下，当无法排除50年一遇的阵风时，定向到风中。为了即使在所有状况中也能够确保上述情况而提出：这必要时借助于出自能量储存器的能量来实行。
根据一个实施方式提出一种方法，其特征在于，设有用于检测风能设备处的风向的至少一个测量设备，并且当出现50年一遇的阵风无法排除时，或者尤其是极其可能时，用于检测风向的所述至少一个测量设备即使在风暴情况下也运行。由此提出一种用于确定风向的测量设备的持续的运行，以便对于风能设备而言，即使其不向电网馈入功率，风向也是已知的从而如下方向是已知的，50年一遇的阵风大致预期来自所述方向。测量设备优选经由电能量储存器运行，使得所述测量设备即使当电网停止运转时也能够运行。毕竟强风暴也是电网停止运转的原因。
优选地，设有附加的测量设备尤其作为用于检测风向的冗余测量设备。风能设备由此即使在测量设备中的一个失效的情况下也仍能够获悉风向并且必要时将风能设备定向为，使得50年一遇的阵风不从不利的方向撞击设备。优选地，在此设有至少两个用于检测风向的测量设备，所述测量设备彼此间以一定间距设置和运行，使得它们不同时通过转子叶片遮盖。由此至少总有一个测量设备能够充分检测风向。
优选地，这些关于运行风能设备所提出的方法应用于根据上述用于设计风能设备的方法中的一个进行设计的风能设备。有利的是，这两种方法共同工作。也就是说，据此风能设备首先如所描述的那样细长地设计并且随后借助于遵循下述条件的方法运行，所述条件是细长的设计方案的基础。但是即使在没有这种设计方案的情况下所提出的用于风能设备的方法也能够引起负荷的减小。
根据一个设计方案提出，为了使风能设备定向到风中而利用至少一个其它风能设备的至少一个风向信息。该建议尤其在风电场的情况下是有利的，但是对于多个处于附近的风能设备也能够是有意义的，所述风能设备未组织到一个电场中，也就是说尤其不使用共同的馈入点。尤其在于此相关的风暴情况中，风向的测量也不一定像在弱的层流风的情况中那样是相当简单或相当精确的。由此能够经由利用其它相邻的风能设备或者同一风电场的风能设备的其它风向信息改进信息情况。经由利用其它风能设备的其它风向信息此外必要时能够更快地获悉风向改变。必要时在风电场上也会存在风向的局部改变。风向的这种局部改变也能够被考虑并且风能设备必要时能够在其定向中匹配于此。
风向例如能够从平均风向测量值中形成。但是如果经由对风电场的风能设备的多个风向的评估确定：在风电场上存在风向的局部改变，那么在整个风电场上的风向值的平均并非是符合实际情况的。替代于此，能够从如此检测的风向分布中使用相应的风向用于相关的风能设备。还有其它可行性，使用关于风例如一个接一个竖立的多个风能设备的风向的值。
优选提出：风能设备在风暴情况下通过其转子定向为，使得转子叶片处于6点钟位置和/或转子能够围绕其转子旋转轴线自由旋转。已经认识到，当尤其避免转子叶片的12点钟位置时，能够有利地避免非常高的负荷。在12点钟位置中，相关的转子叶片由此达到最高高度，所述最高高度完全是可能的。但是风速随着高度增加从而在此在其它情况下比较参数相同时可能提供最高负荷。如果一个转子叶片处于6点钟位置，那么三叶片风能设备的两个其余的转子叶片的10点钟位置和2点钟位置仍保持作为最高的位置。
但是减负荷也能够通过如下方式引起：转子不固定在一个位置中，而是可自由旋转。如果此时尤其在转子叶片上出现负荷，那么转子叶片能够至少部分地屈从于该负荷，如果转子由此少量地旋转的话。尤其优选地提出：尽可能将风能设备引导到转子叶片处于6点钟位置的位置中，在此仍然允许转子的自由旋转。这例如通过转子叶片的，尤其处于6点钟位置中的或者几乎6点钟位置中的下方的转子叶片的相应最小的俯仰调节是可行的。其它两个转子叶片因此能够保持在可预期最小的负荷的位置中。转子叶片中的靠下者总归会承受较小的负荷。
处于6点钟位置中的转子叶片的小的负荷一方面基于风速在较小的高度是较低的。但是也基于如下事实：塔遮蔽部引起减负荷。当相关的叶片处于塔的迎风侧上时，即来自塔前方的风向时，此外也产生塔遮蔽部抵抗风的效果。此外，尤其在转子叶片定向到顺桨位置中时，无法预期叶片接触塔的危险。
此外，根据本发明提出一种风能设备，所述风能设备具有发电机和转子，所述转子具有转子叶片，并且所述风能设备已经根据之前所描述的设计方案来设计。此外或者作为替选方案，风能设备的特征在于，所述风能设备根据之前所描述的用于运行风能设备的方法中的一个来运行。因此，该风能设备尤其如所描述的那样细长地设计，即针对减小的最大负荷来设计，并且所述风能设备配置用于：尤其通过相应设有的和执行的控制，遵循如下条件，所述条件是细长的设计方案的基础。
此外提出一种风电场，所述风电场具有多个根据本发明的风能设备。
附图说明
接下来根据实施方式示例性地参考附图详细阐述本发明。
图1示出风能设备的示意的立体视图。
图2在示出风电场的示意图。
图3以示意的并且简化的视图示出风能设备吊舱的俯视图，以图解说明可能的风作用方向。
图4图解说明在示意的负荷曲线B上与风的作用方向相关的可能的负荷波动。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。转子106在运行时通过风处于旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机。
图2示出具有示例性三个风能设备100的风电场112，所述风能设备能够是相同或者不同的。三个风能设备100由此基本上表示风电场112的任意数量的风能设备。风能设备100提供其功率，即尤其经由风电场电网114提供所产生的电流。在此，各个风能设备100的分别所产生的电流或功率相加，并且通常设有变压器116，所述变压器升压变换风电场中的电压，以便随后在馈入点118处馈入供电网120，所述馈入点通常也称为PCC。图2仅是风电场112的简化视图，所述视图例如未示出任何控制，尽管控制是显然存在的。风电场电网114例如也能够不同地设计，其中在每个风能设备100的输出端例如也存在变压器，以便仅列举另一实施例。
图3在示意性的俯视图中示出风能设备的吊舱2并且以其完全准备就绪的略图示出转子叶片4以及以虚线示出在其上部区域中塔6的环周。基本上，如在图1和图2中所简略示出的那样，以具有三个转子叶片的风能设备为出发点。由此，在图3中除了在此在12点钟位置中示出的转子叶片4之外，还应可以看到两个其它的转子叶片，即在4点钟位置和8点钟位置中的转子叶片。但是为了简化，这两个转子叶片已经被省略。由此，所示出的转子叶片与所示出的导流罩10可共同围绕大致水平的转子旋转轴线8旋转地设置。
此外，转子叶片4围绕仅作为点示出的俯仰轴线12在其相对于风的迎角中是可调节的。图3就此而言示出转子叶片4的顺桨位置。在此需注意，图3是示意性视图，所述示意性视图为了简化视图不探讨转子叶片的通常的扭转。转子叶片4的所示出的部段由此代表整个转子叶片4说明顺桨位置。
所示出的吊舱2此外围绕竖直的方位角轴线14是可调节的，使得吊舱2能够在相对于风所期望的位置中定向。
图3象征性地图解说明四个可能的风向W，所述风向在此针对四个方向来绘制，即0°、90°、180°和270°。当然，所有中间方向也是可行的。这些风向W在该视图中涉及已定向的吊舱2从而涉及转子旋转轴线8的定向。风向W的涉及吊舱的这种相对定向也基于图4的视图，所述视图接下来仍将阐述。
图3此时示出风能设备与其吊舱2针对如下情况的一个优选的定向：风向如所绘制为0°。这种优选的定向也具有处于顺桨位置中的转子叶片4，如这针对示例性的转子叶片4所表面的那样。
就此而言，三个其它所绘制的风向，即以90°、180°和270°，为此是吊舱2的所不期望的风向或者说定向。
尤其对于具有90°的风向W而言，由于侧向的迎流在吊舱2上产生大的作用面。此外，风在此流到转子叶片4的压力侧16上。然而需注意的是，图3仅是图解说明性的并且尤其优选提出如下风能设备，所述风能设备具有一个处于6点钟位置的转子叶片和其它两个处于10点钟位置或2点钟位置的转子叶片。
由此产生：相反的迎流，即以270°，整体上表示对于风能设备而言并非小得多的负荷。
图3就此而言也图解说明180°的风向W，即针对从后方作用于吊舱的风。这种负荷虽然与侧向的风的负荷相比是更小的，因为吊舱上的作用面与在侧向的风中相比也是更小的，但是风能设备基本上针对来自前方的，即根据图3具有0°或306°的风来设计。转子叶片4的所示出的顺桨位置对于0°或360°的风向W的风而言与对于180°的风向相比也是更有利的。
图4示出负荷曲线B，所述负荷曲线可根据风向W图解说明可能的负荷变化。作为以在横坐标上的相应的度数绘制的风向W，以根据图3的理解为基础。因此，0°或360°是从前方作用到吊舱2或导流罩10上的风向。
图4此时图解说明在0°或360°时存在最小负荷Bmin，其中曲线示出简化的变化。在90°时假设为最大负荷，而在270°时假设类似高度的，仅略小的负荷。在180°时，负荷是更小的，但是仍然大于在0°时的最小负荷。
图4的所图解说明的曲线在此将所述负荷以负荷值Bmax归一化。也就是说，最大负荷Bmax被设置为1。
此时提出：风能设备不针对负荷Bmax来设计，而是针对减小的负荷Bmin来设计。
存在许多包括风能设备的这种负荷的可行性。一个可行性在于，以在负荷临界位置处出现的力为基础。这种力能够从多个临界位置，即例如从叶片根部、塔顶、塔底部和轴颈固定处，记录和整合。一种这样的考虑基于图4的所图解说明的视图。
在实际设计时，因此当然需确保每个单独的临界位置即使在50年一遇的阵风的情况下也不承受超过其负荷极限的负荷。但是对于选择作为基础的边缘条件，根据图4的这种整合视图的考虑是有意义的，在所述边缘条件中出现减小的最大负荷。最后，这些边缘条件，即尤其吊舱的、转子的和转子叶片的定向，因此必须对于临界的部件或所研究的位置中的每一个作为基础。

Claims (11)

1.一种用于设计风能设备(100)的方法，所述风能设备具有发电机和转子，所述转子具有转子叶片，所述方法包括下述步骤：
-对于计划的架设地点确定待设计的所述风能设备(100)的尺寸，其中
-所述转子的转子叶片在俯仰轴线上分别是能调节的，以及
-针对减小的最大负荷设计所述风能设备(100)，所述减小的最大负荷低于当50年一遇的阵风从最大受负荷侧撞击到所述风能设备(100)上时所出现的最大负荷，其中
-所述减小的最大负荷是当所述50年一遇的阵风从不引起最大负荷的方向撞击到所述风能设备(100)上时出现的负荷，即当所述50年一遇的阵风从引起所述风能设备(100)的最小负荷的方向撞击到所述风能设备(100)上时出现的负荷，即
-所述减小的最大负荷是当所述50年一遇的阵风从前方撞击到所述风能设备上且能调节的转子叶片处于顺桨位置中时以及当所述50年一遇的阵风从前方的扇区撞击到所述风能设备(100)上时出现的负荷，所述扇区表示从前方+/-20°的区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
针对所述减小的最大负荷设计出自下述列表的部件中的至少一个，所述列表包括下述部件：
-用于容纳所述发电机的吊舱(2)，
-用于承载所述吊舱(2)的塔，
-用于承载所述塔的塔地基，以及
-所述转子叶片。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于计划的架设地点，根据转子直径和轴高度设计所述风能设备(100)的尺寸。
4.一种用于运行风能设备(100)的方法，所述风能设备根据权利要求1至3中任一项所述的方法设计，所述风能设备配设有：
-方位角调节装置，以便使所述风能设备(100)在运行时朝向风定向，和
-能调节的转子叶片，以便将所述转子叶片调整到当前的风速，其中
-在风暴情况下，当无法排除50年一遇的阵风的出现时或者50年一遇的阵风的出现是极有可能时，将所述风能设备(100)的方位角位置定向到风中并且将所述转子叶片置于所述顺桨位置，使得来自当前的风向的50年一遇的阵风仅引起减小的最大负荷，以及
-所述风能设备(100)在风暴情况下通过其转子定向，使得转子叶片处于6点钟位置和所述转子能够围绕其转子旋转轴线自由旋转。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，即使当所述转子叶片处于所述顺桨位置和所述发电机不产生功率和/或没有功率被馈入到供电网(120)中时，所述风能设备(100)，在风暴情况下，通过其方位角位置定向到风中并且跟随风。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述风能设备(100)，在风暴情况下，通过其方位角位置定向到风中并且跟随风，并且当无法从所述供电网(120)和/或由所述发电机获取功率或者无法从所述供电网(120)和/或由所述发电机获取足够的功率时，通过能量储存器提供为此所需的功率。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，设有用于检测所述风能设备处的风向的至少一个测量机构，并且当无法排除50年一遇的阵风的出现或者尤其50年一遇的阵风的出现是极其可能时，用于检测所述风向的至少一个所述测量机构即使在风暴情况下也运行。
8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，利用至少一个另外的风能设备(100)的至少一个风向信息将所述风能设备(100)定向到风中，其中在风电场(112)中应用所述方法时，所述至少一个另外的风能设备(100)是同一风电场(112)的风能设备(100)。
9.一种风能设备(100)，所述风能设备具有发电机和转子，所述转子具有转子叶片，其中所述风能设备(100)通过根据权利要求1至3中任一项所述的方法设计和借助于根据权利要求4至8中任一项所述的方法运行。
10.根据权利要求9所述的风能设备(100)，其特征在于，用于检测风向的至少一个测量机构能够经由电能量储存器运行，和/或在所述风能设备上设有至少两个测量机构，分别用于检测风向。
11.一种风电场(112)，所述风电场包括至少两个根据权利要求9或10所述的风能设备(100)。
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