CN107850038B - 用于具有多个转子的风轮机系统的线缆布设 - Google Patents

用于具有多个转子的风轮机系统的线缆布设 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风轮机系统，此风轮机系统包括借助支撑臂装置(10)安装至共用支撑结构(4)的多个风轮机，所述支撑臂装置包括安装部(12)以及至少一个臂(13)，所述臂从所述安装部延伸并且承载相应的风轮机(6)。所述支撑臂装置(10)能够绕所述支撑结构(4)偏航；并且所述风轮机系统进一步包括用于在此连接中导引线缆的改进布置。

Description

用于具有多个转子的风轮机系统的线缆布设
技术领域
本发明总体涉及用于具有多个转子的风轮机系统的改进的线缆布设。
背景技术
最常见的类型的风轮机是三叶片逆风水平轴线风轮机(HAWT)，在此风轮机中，风轮机转子位于机舱的前部并且面向其支撑风轮机塔架的上游的风。
存在若干另选的风轮机设计。一个实施例是多转子阵列式风轮机。
EP1483501B1公开了这样一种多转子阵列式风轮机，在此多转子阵列式风轮机中，多个共面转子安装至公共支撑结构。这样的构造实现能利用非常大的单转子风轮机获得的规模经济，但是避免诸如高叶片质量、按比例扩大电力电子部件之类的相关缺陷。然而，虽然这样的共面多转子风轮机具有它的优势，但是它对在实践中实施此理念提出了挑战。本发明与这些问题中的一些有关。
发明内容
本发明涉及一种风轮机系统，此风轮机系统包括借助支撑臂装置安装至共用支撑结构的多个风轮机，其中，所述支撑臂装置包括安装部以及至少一个臂，所述臂从所述安装部延伸并且承载相应的风轮机。所述支撑臂装置能够绕所述支撑结构偏航。所述风轮机系统进一步包括用于线缆导引的布置，此布置包括至少一根线缆，其中，所述线缆在所述支撑结构的外部被垂直引导相当于转子直径的至少一半的距离。
借助本发明，找到了关于如何确保用于具有多个转子的风轮机系统的良好的线缆布设的有益解决方案。
附图说明
现在将仅关于附图以实施例的方式描述本发明，使得本发明能被更充分地理解，在附图中：
图1是多转子风轮机系统的前视图；
图2是图1中的多转子风轮机系统的俯视图；
图3是根据本发明的一个实施方式的前视图；
图4是图3中标记A的放大图，与图3相比，此图是从90°视角看到的；
图5在一个图中展示了根据本发明的两个不同的实施方式；
图6在同一幅图中以侧视图与俯视图展示了在上图的实施方式中有用的支撑线缆的一个实施方式；以及
图7展示了特别在图5的上实施方式中有用的自动调节线缆长度的实施方式。
具体实施方式
参照图1与图2，风轮机系统2包括支撑结构4，多个风轮机6安装在此支撑结构上。在此实施方式中，支撑结构4是安装在基座8上的塔架(如典型的现代风轮机系统)，但是应理解其它支撑结构(例如，框架状结构)是可行的。注意，术语“风轮机”按照行业公认意义用在这里以主要指具有或者不具有风轮机系统的转换器以及/或者变压器的发电部件并且与支撑结构4分开。本文中的多个风轮机中的每一者均包括转子以及由转子驱动的发电系统。还注意，基座8可以是嵌入地下的大块体(例如水泥或者钢)，或者可以在离岸风轮机设备中呈单极结构或者外罩结构。
在此实施方式中，有四个风轮机6，并且这些风轮机分两对安装至支撑结构4，每一对包括两个风轮机6，风轮机6借助支撑臂装置10安装至支撑结构4。
两个支撑臂装置10中的每一者均包括安装部12以及第一和第二臂13，第一和第二臂从安装部延伸并且承载相应的风轮机6。照此，支撑臂13中的每一者均包括连接至安装部12的内端16以及连接至风轮机6的外端18。所述支撑臂可包括梁以及/或者输电网结构并且从所述内端(16)到所述外端(18)的长度可至少20米，例如至少40米或者至少60米。如果使用输电网结构，则线缆可沿输电网结构在不同方向上布设。而且，支撑臂可被张力线或者张力拉绳加强。
两个支撑臂装置10中的每一者均在安装部12处安装至支撑结构4使得支撑臂装置10能够绕支撑结构4的垂直轴线偏航。将为此目的设置合适的偏航轴承以及可选传动装置(未示出)。此移动为风轮机6提供相对于支撑结构的第一自由度(如在图2上示成的“F1”)。
而且，各个风轮机6均能够相对于供风轮机6安装的支撑臂13左右偏航。为此目的，风轮机6可借助偏航单元20安装至它们各自的支撑臂13。各个风轮机6安装在偏航单元20上，这为风轮机6提供相对于支撑结构4的第二自由度(如在图2上示成的“F2”)。然而，在优选实施方式中，风轮机可旋转地固定至它们各自的支撑臂并且不能相对于彼此偏航。
各个风轮机6均包括转子22，转子以常规方式可旋转地安装至机舱23。在此实施方式中，转子22具有一组三个叶片24。显然，具有第二自由度的偏航量受被叶片24与支撑臂13之间的距离限制。三叶片转子是最常见的转子构造，但是也公知不同数量的叶片。因此，风轮机6能够由于经过与叶片的旋转相关的扫掠面或者“转子旋转面”26的风的流动产生电力。
图1与图2示出了风轮机系统2的主要结构部件，但是本领域中的普通技术人员会理解所示实施方式已被简化以便不由不必要的细节模糊本发明。这些图中省略了一件重要的东西，那就是诸如电力线缆之类的线缆。具有一根或者多根子线缆的至少一根电力线缆必须从各个风轮机中的发电机牵出，下引至大地以传递电力。一般，这样的线缆可具有60至110毫米的直径。然而，此电力线缆可能不是从风轮机延伸至大地的唯一线缆，而其它诸如信号线缆之类的另外的线缆可以以相同的方式延伸。通常，这些线缆可结合成单体线缆并因此在本文中将仅谈及一根线缆，然而，这不应认为限制本发明的范围。照此，所述线缆可包括至少2根子线缆，例如至少3根、4根或者6根。
对于标准风轮机而言，关于从发电机引导至地面的线缆的公知问题是在偏航过程中扭曲。本领域中的普通技术人员公知，可以以若干不同方式处理此问题。可是当如图1与图2中所示的多转子风轮机开始起作用时出现另一问题。如在标准风轮机中不是仅将线缆从机舱通过塔架向下引导，关于多转子风轮机另外的问题显现出来。必须找到将线缆从塔架的外部引导至塔架的内部的良好方式，或者必须在不是利用一根单体线缆的情况下传递电力/信号。对于本领域的普通技术人员而言，公知的一种解决方案是利用滑环系统，然而，此滑环系统对于如塔架圆周一样大的尺寸而言是代价非常高的解决方案。将参照图3至图5解释根据本发明的实施方式的提供更好解决方案的一些不同方式。
图3示出了图1中下安装部12周围的区域的近视图。示出了支撑臂13的内部以及支撑结构4的一部分。未示出整个安装部12以便揭示其内部的重要特征。作为安装部12的一部分的外线缆槽31绕支撑结构4周向定位在外侧上并且固定至支撑臂13并因此与支撑臂13一起偏航。周向内线缆槽33位于支撑结构4的内侧上并且固定至此。为了在偏航过程中使线缆与支撑结构4保持一定距离，在所述外线缆槽31内部使用另外的周向侧壁32。这里所示的此侧壁具有周向向内倾斜的壁32a，从而创建用于在偏航过程中收集线缆的漏斗。据此可获得改进的线缆的收集。如果期望的话，这样的漏斗形状也可用于内线缆槽33。
如以上解释的，来自各个风轮机的至少一根线缆30从各个支撑臂13的外端18延展(未示出)。为了清楚起见，根据假定在进入外线缆槽31之前或者之时至少两根线缆结合成一根线缆，这里将仅关注一根线缆。本领域中的普通技术人员会知道这如何能做到，例如可使用汇流条。来自支撑臂13的远端的线缆30容易地进入外线缆槽31，因为线缆30与外线缆槽31共同旋转。图3中示出了位于外线缆槽31中的线缆30的两个完整的线圈，但是这将根据当前偏航位置变更。同样地，图3中示出了位于内线缆槽33中的线缆30的两个完整的线圈，线缆从内线缆槽在支撑结构4中以本领域中的普通技术人员从传统风轮机公知的方式被进一步向下引导(未示出)。
在操作中，包括支撑臂13的支撑臂装置10绕偏航轴承转动以便叶片朝风正确取向。通过使用如以上描述的线缆槽并且引导线缆30穿过支撑结构4中的开口42，线缆30将取决于偏航方向在内线缆槽中或者在外线缆槽中卷绕，从而从另一槽开绕。如果作为实施例在初始位置中在两个槽中有5个完整线圈，则在支撑臂装置的两个360°转动后，根据偏航方向，一个槽将具有7个完整线圈并且另一个槽将具有3个完整线圈。能根据期望设计两个槽中线圈的组合数量，例如2至20之间或者在5至15之间。
在示出图3的侧向视图的图4中更清楚地看到开口42，图3中以A标记。此开口42的至少下边缘可包括具有或者涂覆有适于允许线缆以尽可能小的摩擦滑动的材料的表面，因而不会磨损线缆太严重。用于此方面的材料可例如是聚四氟乙烯(PTFE)。另选地，此下边缘可以是导引轴承。而且，可借助一个或者多个导引轴承34(例如至少2个、3个或者4个)根据需要在塔架的内侧上导引线缆30。这些导引轴承可例如沿内侧壁或者绕支撑结构4内的障碍物导引线缆。开口42可以以允许线缆穿过的任一期望的形状成形。在另外的实施方式中，可能需要更多的线缆穿过并且开口可相应地成形。相信有利的是使开口位于线缆槽上方以便利用重力使线缆定位在线缆槽中。而且，所述开口42的最低点可位于所述支撑臂13的最低点的上方。
对于标准风轮机而言，在返回至起始位置之前的所允许的全旋转的典型数量约是5。同样地，线缆槽中的线圈的初始位置与数量可使得在支撑臂13必须返回至其原始位置之前支撑臂13可被允许转动约五个整圈以避免对线缆的任何损害。然而，无疑这可通过从起始点调节各个线缆槽中线圈的总数量而根据期望设计。
图5示出了图1中的上安装部12与下安装部12周围的区域的近视图，示出了支撑结构4。未示出整个安装部12以便揭示其内部的重要特征。图5示出了两个组合的实施方式，这两个实施方式都解决与图3和图4中相同的问题，即，如何从支撑臂13(特别是下支撑臂)引导线缆并且向下引导至大地。为了避免混乱，将在下文中将这两个实施方式称为上实施方式与下实施方式。
上实施方式
对于上实施方式而言，线缆50从下支撑臂装置51经由支撑臂的输电网结构被引导然后在支撑结构4外部垂直向上被引导直到线缆到达上支撑臂装置52，在此处线缆50被引导越过上支撑臂装置52的圆形元件53并且被引导到塔架的内部中，根据本领域中的普通技术人员了解的公知传统风轮机技术，线缆50能从塔架的内部被向下引导至地面。
尤其关于上实施方式但不限于此，可关联地在两个支撑臂装置10偏航过程中限制这两个支撑臂装置，使得一个支撑臂装置不能绕支撑结构关于另一支撑臂装置偏离大于120°(例如大于90°)。在上实施方式中，这关系到确保两个支撑臂装置10之间自由悬挂的线缆不紧压支撑结构4并且不遭受不期望的力。
下实施方式
对于下实施方式而言，线缆60从下支撑臂装置51被引导并且在支撑结构4外部被垂直向下引导，或者被引导至地面或者被引导至在偏航过程中适于截住线缆的线缆连接装置(未示出)。据此，与“上实施方式”相比，此实施方式节约了线缆的一些长度。线缆连接装置可在地面上方例如至少3米或者至少5米处定位。这可实施成通道以在偏航时截住线缆(类似于图3与图4中描述的线缆槽)。线缆可被引导越过下支撑臂装置51的圆形元件63。
这里圆形元件53/63被标示成像这样的输电网结构的一部分，但是圆形元件也可以呈可旋转鼓的形式或者呈输电网结构上的涂层的形式或者呈输电网结构上的附加层上的涂层的形式。如果支撑臂是梁而不是输电网结构，则可使用相应的实施方式。作为涂层可使用与关于参照图3至图4的开口的相同的解决方案。
对于以上实施方式中的任一者而言，电力朝靠近支撑结构4的底部的地面向下传递，并且传递到诸如直流电-交流电转换器、变压器或者开关装置之类的电气设备。如果线缆传递直流电，则线缆通常将连接至直流电-交流电的转换器；如果线缆传递交流电，则线缆通常将连接至变压器以及/或者开关装置。照此，此设计适用于多种设计。也要注意，所述多个风轮机可共享直流电-交流电转换器、变压器或者开关装置之中的至少一个部件，因此比传统意义上的4个单独的风轮机节约成本。
电气设备可由技术人员根据需要定位在支撑结构内部或者外部，类似于用于传统风轮机的公知解决方案。
在上实施方式与下实施方式两者中，所述线缆在所述支撑结构的外部上被垂直引导的距离可以是相当于转子直径的至少一半的距离。这可以是至少10米，例如至少20米或者至少30米。
在上文中，出于清楚的原因，线缆被论述成了一根单体线缆。在一些实施方式中，线缆包括不只一根子线缆。图6展示了这样的组合线缆看起来会是什么样的实施例。这里，四根子线缆71联接到中心丝线70上以便丝线70代替线缆71承载负荷。如本领域中普通技术人员公知的，此构造可由覆盖层部分或者完全围绕。照此，在本发明的实施方式中，以上描述的一根线缆可以是例如4根子线缆与承载负荷的至少一根丝线的组合。为了能够更清楚地看到此构造，示出了侧视图与俯视图两者。因此，在本发明的实施方式中，所述线缆被丝线支撑，优选丝线与所述线缆同轴。
特别对于图5的上实施方式，具有用于在塔架的外部上调节线缆长度的系统会是有益的。图7展示了用于这样的自动调节线缆长度的实施方式，在此实施方式中，如关于图5描述的，线缆50被引导跨越圆形元件53到达塔架的内部中。这里，图7的实施方式进一步示出了线缆经由长度调节系统被引导，此长度调节系统例如可如安装有如所示的滑轮的配重块72一样简单。本领域中的普通技术人员会了解用于自动调节线缆长度的其它合适的系统。这指的是当两个支撑臂装置不同时偏航(如果例如一个支撑臂装置发生故障)时，额外的线缆长度可被添加至塔架的外部，并且线缆可在外部上绕塔架简单地卷绕。这可看作是对限制两个支撑臂装置之间的偏航移动方面的差异的另选方案，然而要注意，根据本发明的另外的实施方式，两者可一起起作用。
本领域中的普通技术人员将理解，可在不脱离如由权利要求限定的本发明的情况下做出对以上描述的具体实施方式的变型。
而且，应理解，尽管所述实施方式包括安装至支撑结构的四个风轮机，但是这是要阐明所提出的可应用至不只四个风轮机的风轮机系统的分层控制系统的原理。而且，设想这样的实施方式，在这些实施方式中，风轮机不是如所示实施方式中那样两组一对，而是不同地布置并且不一定具有共面的关系。

Claims (9)

1.一种风轮机系统，此风轮机系统包括：借助至少两个支撑臂装置(10)安装至共用支撑结构(4)的多个风轮机；上支撑臂装置(52)以及下支撑臂装置(51)；
各个所述支撑臂装置(10)均包括安装部(12)以及至少一个支撑臂(13)，所述支撑臂从所述安装部延伸并且承载相应的风轮机(6)；
各个所述支撑臂装置(10)均能够绕所述支撑结构(4)偏航；
所述风轮机系统进一步包括用于线缆导引的布置，此布置包括：
至少一根电力线缆(50、60)；
其中，所述电力线缆在所述支撑结构的外部被垂直引导相当于转子直径的至少一半的距离，
其中，所述电力线缆(50)从所述下支撑臂装置(51)在所述支撑结构(4)的外部垂直向上被引导直到该电力线缆(50)到达所述上支撑臂装置(52)，在此处所述电力线缆(50)被引导到所述支撑结构(4)的内部。
2.根据权利要求1所述的风轮机系统，其中，所述电力线缆进一步经由所述至少两个支撑臂装置(10)中的至少一者的弧形部分(53、63)被引导。
3.根据权利要求2所述的风轮机系统，其中，所述弧形部分是用于支撑所述电力线缆的能旋转元件的一部分。
4.根据权利要求1所述的风轮机系统，其中，所述至少两个支撑臂装置(10)在偏航中受限制，使得一个支撑臂装置不能绕所述支撑结构相对于另一支撑臂装置偏离大于180°。
5.根据权利要求1所述的风轮机系统，其中，所述至少两个支撑臂装置(10)在偏航中受限制，使得一个支撑臂装置不能绕所述支撑结构相对于另一支撑臂装置偏离大于120°。
6.根据权利要求1所述的风轮机系统，其中，所述至少两个支撑臂装置(10)在偏航中受限制，使得一个支撑臂装置不能绕所述支撑结构相对于另一支撑臂装置偏离大于90°。
7.根据权利要求1所述的风轮机系统，其中，所述支撑臂装置(10)包括从所述安装部延伸并且承载相应的风轮机(6)的两个支撑臂(13)。
8.根据权利要求1所述的风轮机系统，其中，各个支撑臂从内端(16)到外端(18)的长度在20米以上。
9.根据权利要求1所述的风轮机系统，其中，各个支撑臂包括输电网结构，其中，所述电力线缆在至少两个不同的方向被所述输电网结构支撑。
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