CN110892152A - 具有经调节的叶尖速比特性的立式风力发电设备以及其安装套件和其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有多个竖直的桨叶(7)的立式风力发电设备(1),所述多个竖直的桨叶(7)分别紧固至各自竖直的桨叶轴(26)而以能够彼此独立地围绕相应的桨叶转动轴线(C7)转动的方式被支承,并且多个竖直的桨叶(7)被支承成可围绕竖直的转子转动轴线(C2)在共同的圆形轨迹(K)上旋转。此外,本发明涉及一种用于运行立式风力发电设备(1)的方法,其中预设立式风力发电设备(1)的可围绕相应的竖直的桨叶轴(26)被驱动的竖直的桨叶(7)的桨距角(β)。根据本发明,通过如下方式特别有效且保护材料地运行立式风力发电设备(1):至少在立式风力发电设备(1)的部分负荷模式下调节桨距角(β),使得桨叶(7)以基本恒定的叶尖速比(λ)旋转。

Description

具有经调节的叶尖速比特性的立式风力发电设备以及其安装 套件和其运行方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1及15的前序部分的立式风力发电设备和用于立式风力发电设备的安装套件和用于运行立式风力发电设备的方法。
背景技术
从现有技术中已知具有主动桨叶控制的立式风力发电设备。申请人的WO2015/185299A1描述了一种具有竖直的桨叶的立式风力发电设备,所述竖直的桨叶可以分别由伺服电机经由传动装置驱动地围绕其转动轴线被带到预定的且随时可变的转动位置中,其中提供虚拟凸轮盘,其分别经由桨叶在环绕圆上的位置来确定桨叶角度的变化曲线,并且其中根据虚拟凸轮盘进行主动控制。
此外,申请人的欧洲专利EP2235365B1涉及一种具有至少一个可围绕竖直轴线转动的转子的风力发电设备,该转子在两个水平的、以一定间距彼此叠置的支承平面之间包括多个转子叶片,所述转子叶片均匀地分布地设置在环周上,并且分别可绕竖直枢转轴线枢转,其枢转范围在两侧由止挡件限界。
此外,文献US3,902,072A公开了一种具有水平旋转平台的风力发电机,在其外周上设置有多个竖直的桨叶,这些桨叶全部围绕中央轴线并且分别围绕自身的轴线同轴地旋转。竖直的桨叶的转动取决于风向及风速的变化,并且每个单独的桨叶的转动被控制成,使得在平台的环绕路径的3/4上从风中获取功率,而在其余路径上,桨叶被调节成,使得其对风的阻力最小。经由中央的传动机构与共用的伺服电机进行对桨叶的控制。
文献US4,410,806A描述一种具有旋转结构的立式风力发电设备,该旋转结构包括一列可旋转的竖直的桨叶,这些桨叶的位置被控制成,使得只要风速足够,旋转结构便达到恒定转速。微处理器控制装置处理关于风速、风向及旋转结构转速的信息并且生成用于设定桨叶位置的电信号。该设备的控制装置包括电桨叶致动器,借助该电桨叶致动器来调制旋转结构的桨叶。桨叶调制控制用来确定转子转速的攻角。风速表输出设备启动及停止的数据,而风向表则用于使桨叶的翻转部(Umschlagen)保持相对于风向成90°和270°。该控制装置设计成,使得在风速介于19至40英里/小时的情况下维持恒定的转速。
文献US4,494,007A公开了一种立式风力发电设备,其中由一个风向标经由共同机构在桨叶绕共同的中央轴线环绕期间控制围绕该共同的中央轴线旋转的桨叶的定向,使得当风速变化时,改变桨叶的转动位置。
文献US4,609,827A描述了一种具有转子叶片的立式风力发电设备,所述转子叶片具有桨叶型廓。通过设置于转子外部的机构来控制正向的且同步的桨叶定向系统。
最后,在“Vertical Axis Wind Turbine with Individual Active Blade PitchControl(带有独立的主动桨距控制的立式轴风力发电机)”中,中国哈尔滨的哈尔滨工程大学机电工程学院的张立勋,梁迎彬,李儿肖,张松和郭健,2012IEEE,描述了一种具有独立主动桨叶控制的立式风力发电设备,其中将伺服电机安装到保持桨叶的臂上,并应分别通过皮带驱动器引起根据桨叶方位角进行的桨叶的桨距角调节。
在“H-Darrieus Wind Turbinewith Blade Pitch Control(带有桨距控制的H-Darrieus型风力发电机)”中,Paraschivoiu Ion,Trifu Octavian和Saeed F,International Journal of Rotating Machinery国际旋转机械杂志,第2009卷,研究了一种立式风力发电设备的桨叶的桨距角根据方位角的变化以使由立式风力发电设备的转子输出的扭矩最大化。
在“AStraight-bladed Variable-pitch VAWT Concept for Improved PowerGeneration(用于改进发电的直叶片可变浆距VAWT概念)”中,Y.Staelens,F.Saeed和I.Paraschivoiu,风能研讨会,第2003卷,第146-154页,2003年1月,ASME2003,描述了用于改进具有桨距角可变的桨叶的立式风力发电设备性能的研究。在每个桨叶处,应通过在相应的转动位置中根据方位角改变桨距角来优化切向力。研究了不同的桨叶型廓。
在现有技术中已知的立式风力发电设备中不利的是:桨叶控制装置和桨叶驱动器不能实现令人满意的能量产出和合理的效率。另外,桨叶驱动器消耗过多的能量并且易于磨损,这不令人满意地使设备的效率和使用寿命最小化。
发明内容
本发明的目的在于,避免现有技术的缺点中的至少一些。尤其,立式风力发电设备的效率和使用寿命应相对于现有技术提高。该目的通过独立权利要求1和15的特征实现。
尤其,借助于根据本发明的具有多个竖直的桨叶的立式风力发电设备克服现有技术的缺点,所述多个竖直的桨叶分别紧固至各自竖直的桨叶轴从而以能够彼此独立地围绕相应的桨叶转动轴线转动的方式被支承,并且多个竖直的桨叶被支承成可围绕竖直的转子转动轴线在共同的圆形轨迹上旋转,其中立式风力发电设备设计用于:至少在立式风力发电设备的部分负荷模式下调节桨叶的桨距角,使得桨叶以基本上恒定的叶尖速比λ旋转。
在根据本发明的方法中,通过如下方式克服现有技术的缺点:预设立式风力发电设备的围绕相应的竖直的桨叶轴被驱动的竖直的桨叶的浆距角,其中至少在立式风力发电设备的部分负荷模式中调节桨距角,使得桨叶以基本上恒定的叶尖速比λ旋转。
根据本发明的解决方案具有如下优点:能够选择叶尖速比λ,使得在风的迎流矢量和转子叶片弦之间的角度(所谓的浆距角或也称作攻角)不超过如下值,在所述值中,流与型廓分离。叶尖速比λ由转子的旋转速度与风速的比来定义。直至额定速度,根据本发明的立式风力发电设备具有2至2.5,优选地约为2.3的叶尖速比λ,所述叶尖速比通过桨叶的环周速度确定,所述环周速度在额定运行期间风速为12m/s的情况下为约27.6m/s(λ=27.6/12=2.3)。
叶尖速比越高,相对于型廓的攻角越小。实际上,这意味着根据现有技术的立式风力发电设备通常以大于4的叶尖速比λ运行。这必然导致高转速或大转子半径,以便获得叶尖速比所需的环周速度。高环周速度又增加了寄生损耗,这是由例如转子臂和系索(Abspannungen)的气动阻力引起的。这种损耗以环周速度的三次方影响能量产量。
桨叶的根据本发明的桨距控制有助于将叶尖速比以最佳方式保持尽可能保持恒定,并补偿强烈且快速改变风况的负面影响。由此,尤其实现了部分负荷运行中的最佳能量产出。因此,根据本发明的立式风力发电设备即使在具有强交变风况的架设地处也可以以经济有效地利用风能。
此外,高的环周速度会导致高的噪音产生和高的离心加速度。通过对在根据本发明的立式发电设备中实现的转子叶片连续控制,原则上可以以最佳攻角使用任何叶尖速度比。这就是说,即使在低叶尖速比的情况下也可以避免流分离。由此,能以考虑寄生阻力的方式评估最佳工作范围。
对于根据一个实施例的用于根据本发明的立式风力发电设备,借助于DMS模型(Double Multiple Streamtube双向多流管)的数值模拟得出在例如λ=2.3的叶尖速度比下的最大能量产出。在包括根据本发明的立式风力发电设备的几何尺寸的情况下,借此产生了大约为100km/h的环周速度,这引起相对于常规水平风力发电设备以及现有技术中已知的立式风力发电设备明显更小的噪声生成,因为环周速度以六次方影响声功率。
此外,与立式风力发电设备的大约为20%、进而相比水平风力发电设备的约10%的风电场效率显得更有利的风电场效率相联系地,根据本发明设计和运行的立式风力发电设备特别是在风电场中相比水平风力发电设备更有效且更低成本地运行,或者以两倍的风力场效率运行。另外,在例如750kW发电机功率的功率范围内,与水平风力发电设备不同,根据本发明的立式风力发电设备理想地适用于“分布式风力市场”的快速增长的部分,在该部分中环境友好与具有社会责任感的解决方案非常重要的(人口稠密的地区,后勤方面要求高的风能设备架设地区)。
另外,根据本发明的立式风力发电设备具有有利的尾流特性。通过桨叶借助于变桨马达以可变的方式保持其角度位置的方式,这有助于防止流分离,因此将尾流中的湍流最小化。在尾流中由此产生的低湍流强度允许根据本发明的立式风力发电设备之间的更短距离,从而进一步改善其风力发电场的效率。
由于较小和/或较轻的构件,与水平风力发电设备相比,即使在难以通行的地形中也可以在不进行重型运输的情况下架设立式风力发电设备。在正常地形中,立式风力发电设备的所有构件(甚至是重型构件)都可以借助于常规载重车进行运输,而无需特种运输。在山区,可以用轻型直升机运输部件,而少量重型构件可以用越野车运输。
根据本发明的立式风力发电设备可以通过自组装系统来安装,而无需使用额外的重型起重机。该自组装系统包括与根据本发明的立式风力发电设备的塔或塔系统一起升起的中央起重机,和设置在立式风力发电设备的塔中的重载提升辊。可以借助于地面上的移动式绞车和塔中的转向辊将所有重的主要部件提升到其相应的安装高度上。
为了在转子叶片和叶片轴承处进行维修拆卸和组装工作,在直升机的辅助下,只有一台小型起重机临时位于相应转子臂的最顶部。在转子上简单的维护和维修工作时,所述转子被形状配合地锁止。在转子轴承损坏、发电机损坏或传动装置损坏的情况下,为了拆除它们,不必拆卸转子。在静止状态中,该转子机械地借助于升降装置固定在塔上,并因此承载转子的压力轴承摆脱了转子负荷。这种固定可以承受狂风。然后,可借助绞车和转向辊,而无需起重机而在塔中降低可能需要维修的部件,并可将其向下直接装载到载重车上。
最后,就其对环境兼容性而言,在根据本发明的立式风力发电设备中还具有以下优点:与水平转动的三叶片转子相比,该立式风力发电设备的竖直定向的转子的轮廓对于鸟类和蝙蝠而言更好地可见。另外,具有最高100km/h的转子叶片速度明显低于水平风力发电设备,在水平风力发电设备中出现300至400km/h到叶片尖端速度。与水平风力发电设备相比,根据本发明的立式风力发电设备的相对缓慢转动的转子系统具有静止的阴影和小的冰投掷范围。根据本发明的立式风力发电设备的外观以其主要竖直的线良好地融入周围的景观。
最后,就其对环境的影响而言,根据本发明的立式风力发电设备还具有以下优点:与水平转动的三叶片转子相比,竖直定向的转子的黑影对于鸟类和蝙蝠而言更好地可见。另外,在最高100km/h的情况下,转子叶片的速度明显低于水平风力发电设备,在水平风力发电设备中,叶片尖端的速度为300至400km/h。与水平风力发电设备相比,根据本发明的立式风力发电设备的相对缓慢旋转的转子系统具有平静的阴影和小的抛冰范围。根据本发明的立式风力发电设备的外观以其主要竖直的线条很好地融入了周围的景观。
通过以下另外的、分别本身有利的实施方式可以任意地扩充和进一步改进根据本发明的解决方案,其中本领域技术人员容易地将以清楚和明确的方式容易地认识到:根据本发明的立式风力发电设备的设备特征构成了根据本发明的方法的相应步骤的基础,并且反之亦然。
根据本发明的立式风力发电设备的第一另外的实施方式,所述立式风力发电设备被设计成在至少部分地位于3m/s与12m/s之间的风速范围内在部分负荷模式中运行。这种部分负荷范围适用于内陆和沿海地区,并确保了高的能量产出以及每年相对多的满负荷小时。此外,具有3m/s的低启动风速的部分负荷范围确保了即使在微风的情况下通过根据本发明的立式风力发电设备也进行供电。
根据另一实施方式提出:恒定的叶尖速比在2至2.6之间,优选地在2.2至2.4之间,并且最优选地基本上为2.3。对于恒定的叶尖速比的这种数值范围引起相对较低的转子转速,因此引起相对低的桨叶速度。因此,如上所述,根据本发明的立式风力发电设备可以在有利的低环境影响下运行。
根据另一实施方式提出:立式风力发电设备被配置用于调节桨距角,使得在立式风力发电设备的额定运行模式下,桨叶以可变的叶尖速比旋转。因此,根据本发明的桨距调节可有助于限制根据本发明的立式风力发电设备的功率。这保护了根据本发明的立式风力发电设备的材料,并因此减少了其磨损并延长了其使用寿命。
根据另一实施方式提出:立式风力发电设备被配置为调节桨距角,以使得在额定运行模式下,桨叶以基本恒定的额定转速旋转。因此,转子在额定转速范围内旋转。这有助于避免在立式风力发电设备的部件达到负荷峰值,因此进一步有助于保护根据本发明的立式风力发电设备的材料,减少磨损并延长使用寿命。
根据另一实施方式提出:在立式风力发电设备的第一切出风速v3下,可变叶尖速比λ在1和1.8之间,优选地在1.3和1.5之间,最优选地基本上为1.38。例如,切出风速v3可以在20m/s的范围内。特别是在这样相对高的风速下,可变叶尖速比的相对低的值范围有助于将桨叶的环周速度保持尽可能低,从而确保根据本发明的竖直风力发电机非常良好的环境兼容性。
根据另一个实施方式提出:立式风力发电设备被配置用于在起动模式下调节桨距角,使得从具有叶尖速比λ≤1的阻力运行开始,桨叶过渡到具有叶尖速比λ>1的快速运行中。因此,尤其在从转子静止状态启动立式风力发电设备时,可最佳利用由桨叶基于桨叶风阻来吸收的能量,并使转子处施加的启动扭矩最大化。一旦转子达到一定的回转速度,就可以提供到桨叶快速运行的平稳过渡。这有助于总体上缩短根据本发明的立式风力发电设备的启动时间,进而有助于增加能量产出。
根据另一实施方式提出:桨距角的调节基于至少一个凸轮盘,该凸轮盘以基本上连续的方式对于转子的整个旋转来确定桨距角。桨距角的连续确定实现:对根据本发明的立式风力发电设备进行尽可能温和、无跳变地控制和调节,其具有尽可能少的参数跳变,如其在粗略的离散步骤中预设桨距角时可能出现。可以为不同的风速预设不同的凸轮盘。每个凸轮盘都可以在相应的风速方面以及从中在叶片处产生的流动条件方面进行优化。
根据另一实施方式提出:分别相对于转子转动轴线,桨叶的迎风侧位置的桨距角的最大值通常大于桨叶的避风侧的位置的桨距角的最大值。换句话说,对于小于180°的方位角,桨距角通常可以相比对于在180至360°之间的方位角而言的桨距角更小。因此,桨距调节根据方位角考虑了在桨叶处的相应的流动条件。因此,特别是,考虑了在避风侧由转子和桨叶自身引起的流动效应,例如紊流和湍流尾流,由此可以进一步改善根据本发明的立式风力发电设备的能量产出。
根据另一实施方式提出:对于额定风速范围内的风速,在从垂直于风向定向的零线起测得的方位角为0°的情况下,桨距角小于零。换句话说,桨叶因此以小于0°的桨距角转入风中,或从避风向迎风运动。这有助于根据本发明的立式风力发电设备的改进的动力,进而提高的能量产出。
根据另一实施方式提出:至少对于在额定风速范围内的风速,在从垂直于风向定向的零线起测得的方位角为0°至90°的情况下,存在桨距角的局部最大值。这有助于优化在相应桨叶处作用的升力。因此,根据本发明的风力发电设备的动力和能量产出进一步改善。
根据另一实施方式,立式风力发电设备具有至少一个风速传感器和/或至少一个风向传感器,其设置在桨叶中的至少一个处并且以信号传输的方式与控制装置连接,用于确定桨距角的期望值。因此,风速和/或风向可以有利地在桨叶处确定,并且作为相关测量变量因此可尽可能与用于设定桨距角的受控系统接近地求出,该受控系统包括桨叶和例如安装在其处或在其附近设置的变桨驱动器。这促进了尽可能准确和无误差的桨距调节。
根据另一实施方式提出:在从无风到立式风力发电设备的另一切出速度的风速下,在调节桨距角时的定位误差的值基本上总是小于5°,优选小于3°,最优选小于1.5°。通过这种低的定位误差,一方面可以增加根据本发明的立式风力发电设备的能量产出。另一方面,由此也可以最小化立式风力发电设备的不期望的错误负荷以及振动等,因为桨叶转动在很大程度上没有偏差地对应于预设的期望值或期望桨距角。
根据另一实施方式提出:提供了根据本发明的立式风力发电设备作为安装套件。如上面已经提到的,这种安装套件实现在如下地点处安装根据本发明的立式风力发电设备,所述地点对于水平风力发电设备不可用或几乎不可用,其中所述安装套件主要能够包括立式风力发电设备的所有部件和构件以及用于其安装的辅助工具,例如起重机,绞车等。作为安装套件提供根据本发明的立式风力发电设备还有助于确保:立式风力发电设备的安装、运行和维护所需的所有部件、构件和辅助工具都来自经过检验的供应来源并满足所期望的安全和质量要求。
根据另一实施方式,可以通过由变桨凸轮盘预设角位置的方式来改进根据本发明的用于运行立式风力发电设备的方法。因此,基本上对于每个方位角都存在用于设定角位置的期望值。可以为不同的风速设置不同的变桨凸轮盘。
根据本发明的方法的另一实施方式,在持续调节时考虑风速、风向和立式风力发电设备的包括桨叶的转子的转子转动。因此,根据本发明的立式风力发电设备能以角位置的尽可能小的期望值偏差进而以极其高效的方式运行。
此外,可以通过根据本发明的具有多个竖直的桨叶的立式风力发电设备克服了现有技术的缺点,所述竖直的桨叶以分别紧固在竖直的桨叶轴处的方式而彼此独立地可围绕相应的桨叶转动轴线转动运动并且被支承成在共同的圆形轨迹上可围绕竖直的转子转动轴线旋转,其中桨叶轴分别设有至少一个变桨马达,用于通过马达驱动桨叶转动,其马达轴相对于相应的桨叶转动轴线同心地伸展。
此外,在根据本发明的方法中,通过预设立式风力发电设备的围绕相应的竖直的桨叶轴被驱动的竖直的桨叶的角位置的方式,克服了现有技术的缺点,其中借助于通过分别与桨叶轴同心设置的变桨马达直接驱动桨叶来持续调节该角位置。
这具有的优点是,其能够根据变桨凸轮盘实现非常精确和节能地驱动桨叶。桨叶的角位置能够在没有延迟且考虑变化的设备状况(风速、风向、转子转动、功率输出等)的情况下,在变桨马达功率消耗为立式风力发电设备的发电机功率的最大低于10%至优选低于0.5%,例如0.3%的情况下,被最优地调节。
根据本发明的立式风力发电设备的一个另外的实施方式,变桨马达设计为具有至少一个转子的扭矩马达,该转子抗扭地与桨叶轴连接。例如,扭矩马达可以被实施为内部转动件构型的永久励磁的无刷直流马达。因此,沿着其外周被变桨马达的定子围绕的转子可以借助于夹紧套以简单有效的方式抗扭地与变桨马达的马达轴连接以传递扭矩。
根据另一个实施方式提出:桨叶轴支承在变桨马达中的马达轴承处。换句话说,桨叶能以可转动运动的方式保持在变桨马达中。例如,支承装置可以通过锥形滚子轴承或滚动轴承或圆锥滚子轴承来实现,锥形滚子轴承或滚动轴承或圆锥滚子轴承以轴向预紧的方式一方面设置在桨叶轴和马达之间,另一方面则设置在桨叶轴和定子之间,以便吸收轴向力和径向力。这可以在高使用寿命并且借助变桨马达以低摩擦损耗高效地驱动桨叶轴的情况下实现桨叶轴的精确支承。
根据另一个实施方式提出:马达轴承设置在轴承容纳空间内,该轴承容纳空间借助于密封元件相对于立式风力发电设备的周围环境被密封。轴承容纳空间内可以存在润滑剂,例如油脂,用于润滑马达轴承。优选地,轴承容纳部填充有润滑剂,根据需要例如每5年更换或重新填充润滑剂。由此实现了马达轴承的有效润滑,这在此有助于进一步最大化根据本发明的立式风力发电设备的使用寿命。
轴承容纳空间又可以借助其他的密封元件相对于马达内部空间进行密封,从而以基本上严密封闭的方式保护马达内部空间免受有害的环境影响。马达内部空间可以至少部分地由马达壳体形成和/或由其包围。
膨胀或补偿容器可以经由至少一条流体管线与严密封闭的马达内部空间导流连接,并且可以提供可变的膨胀或补偿体积,以补偿温度引起的流体、特别是空气的体积变化,所述流体存在于马达空间内的自由空间中。为了减少在马达内部空间中的自由空间,可以在马达空间中设置空间填充元件,该空间填充元件例如可以由泡沫材料形成。一方面,膨胀容器和空间填充元件有助于避免空气中湿气在马达内部空间中冷凝。另一方面,膨胀容器和空间填充元件防止:轴承润滑剂和/或马达润滑剂(例如油脂)在发生压力波动时被挤出或逸出。
根据另一实施方式提出:桨叶可绕其桨叶转动轴线转动地支承在至少一个与变桨马达间隔开设置的附加支承点处。以这种方式,变桨马达可以例如设置在两个附加的支承点之间。从中得出:每个桨叶各有两个桨叶部段,即在上支承点和变桨马达之间的桨叶部段以及在变桨马达和下支承点之间的桨叶部段。
优选地,各一个轴承单元位于桨叶的远离变桨马达指向的外端处。轴承单元包括壳体、两个滚动轴承以及将桨叶的转子叶片彼此连接的空心轴。在附加的支承点处,可以使用球面滚子轴承,这些球面滚子轴承主要吸收在桨叶端部中出现的高径向力,并有助于加固整个转子系统。相反,马达轴承可以包括例如两个轴向预紧的圆锥滚子轴承,其吸收桨叶的整个重力。
根据另一个实施方式提出:桨叶轴分别包括在桨叶的桨叶片区域中的桨叶片轴部段和设置在桨叶片轴部段与马达轴之间的过渡部段。过渡部段和马达轴可以例如由金属一件式成形。过渡部段允许马达轴和桨叶片轴部段之间的最佳连接。
根据另一个实施方式提出:过渡部段远离马达轴伸展地变细。例如,过渡部段可以轴颈式地构成。马达轴的外径可以大于桨叶片轴部段的内径。因此,过渡部段有助于克服马达轴和桨叶片轴部段之间的尺寸差异,并以精确装配的方式将它们彼此连接。
根据另一实施方式提出:变桨马达分别具有马达壳体,在该马达壳体处紧固有桨叶吊架,该桨叶吊架将桨叶与立式风力发电设备的转子毂连接。桨叶吊架例如可以包括多个支柱。这些支柱中的至少一个可以直接与变桨马达连接,以便保持相应的桨叶。
根据另一实施方式提出:桨叶吊架包括多个支柱,其中至少一个支柱分别法兰式安装到马达壳体处。在定子的外周的区域中在马达壳体的外侧,各一支柱可以有利地在端侧法兰式安装到变桨马达处。由于变桨马达同时用作在桨叶吊架和桨叶之间的驱动点、支承点和连接点,所以这允许了整个转子的节约重量的、高度稳定的结构。
根据另一实施方式提出:马达壳体包括支撑片,该支撑片以径向地伸展至马达轴的方式将变桨马达的轴承座在外周侧上与变桨马达壳体的沿轴线方向指向的壁部连接。这种支撑片有助于可靠地将由马达轴经由支承点作用到马达壳体上的力传递到马达壳体处的桨叶吊架的连接点上,例如上述马达法兰上。马达壳体的刚性提高,而其重量保持尽可能低。
根据另一实施方式提出:变桨马达用根据空气动力学方面设计的壳罩包覆。通过壳罩可使由变桨马达引起的空气阻力最小化,这在此有助于进一步提高根据本发明的立式风力发电设备的效率。另外,壳罩有助于最小化桨叶部段之间或在桨叶部段与马达之间的可能的中间空间,从而防止中间空间处的压力补偿。以类似的方式和方法,同样可以在桨叶部段之间的附加支承点或轴承单元的区域中设置壳罩或覆盖件,以便抵消压力补偿和与其关联的效率损失。
根据另一实施方式,立式风力发电设备具有控制装置,该控制装置以信号传输的方式与变桨马达以及与至少一个风速传感器和/或至少一个风向传感器连接,以控制变桨马达。该控制装置例如周期性地计算每个变桨马达的桨叶的额定角,并经由通信装置将其传递给逆变器系统的控制部分,该逆变器系统除控制部分外还具有用于每个变桨马达的供应部分。控制部分引起桨叶的位置调节,以便根据额定角设定期望的角位置。为此,功率部件持续地将例如150ARSM的电流换向,并短暂地输出210ARMS的峰值电流,以实现变桨马达的最大扭矩。在这种情况下,控制装置监视桨叶调节的精度和驱动调节的状态,并能够影响它们。
根据另一实施方式提出:至少一个风速传感器和/或至少一个风向传感器设置在变桨马达的至少一个的区域中。例如,至少一个风速传感器和/或至少一个风向传感器可以安装在杆处,该杆固定在变桨马达处或变桨马达的区域内,并伸出到该桨叶的外边缘之外。特别地,至少一个风速传感器和/或至少一个风向传感器可以安装在杆的远离桨指向的远端处。由此,至少一个风速传感器和/或至少一个风向传感器优选地设置在桨叶的影响区域的外部,在该影响区域中,可能会出现由桨叶引起的气流变化或湍流。替代地或附加地,诸如风速传感器和/或风向传感器的传感器以及其他信号和测量机构可以设置在桅杆上,该桅杆中央地设置在转子毂上,并且优选地在高度方向上突出超过桨叶的上端。
附图说明
借助以下附图描述本发明的实施例。其示出:
图1示出了根据本发明的立式风力发电设备的示意性立体图;
图2示出了根据本发明的立式风力发电设备的示意性侧视图;
图3示出了根据本发明的立式风力发电设备的示意性俯视图;
图4示出了根据本发明的立式风力发电设备的桨叶的图2中标记的细节IV;
图5在沿着桨叶的转动轴线的示意性横截面视图中示出了根据本发明的立式风力发电设备的桨叶的图4中标记的细节V,该立式风力发电设备具有根据本发明的变桨马达;
图6根据本发明的立式风力发电设备的空气动力学包覆的变桨马达的示意性立体图;
图7示出了根据本发明的立式风力发电设备的动力传动系沿动力传动系的驱动轴的示意性横截面视图;
图8示出了根据本发明的立式风力发电设备的毂联接件的根据本发明的第一实施方式的示意性立体图;
图9示出了根据本发明的立式风力发电设备的毂联接件的另一根据本发明的实施方式的示意性立体图;
图10示出了根据本发明的立式风力发电设备在运行时的示意性俯视图,以说明立式风力发电设备的桨叶处的角位置和力关系;
图11示出了用于描述根据本发明的立式风力发电设备的根据本发明的控制装置的功能的示意图;
图12示出了具有用于根据本发明的立式风力发电设备的根据本发明的变桨马达的示例的扭矩特性曲线的示意图;
图13示出了具有示例的凸轮盘的示意图,所述凸轮盘用于控制根据本发明的立式风力发电设备的变桨马达;
图14示出了用于求出根据本发明的立式风力发电设备的变桨马达的定位误差的测试台的示意性立体图;
图15示出了根据本发明的变桨马达在多个调节周期上的定位误差的示意图,该定位误差借助于图14中所示的测试台求出;
图16示出了根据本发明的变桨马达在一个调节周期上在处的定位误差的示意图;和
图17示出了根据本发明的变桨马达在切出风速下在一个调节周期上的定位误差的示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面参考附图。附图仅仅示出了本发明主题的实施例,其中特征,如上所述,根据相应的要求可以彼此任意组合或也可以省略。
图1示出了根据本发明的立式风力发电设备1的示意性立体图。立式风力发电设备1沿纵向方向X、横向方向Y和高度方向Z延伸,所述纵向方向、横向方向和高度方向一起展开笛卡尔坐标系。立式风力发电设备1包括转子2、机舱3、塔系统4,基座5和容器状开关柜6。
转子2包括多个竖直的桨叶7,其经由桨叶吊架8紧固在转子毂9处,所述转子毂围绕竖直定向的、即平行于高度方向Z伸展的转子转动轴线C2可转动地支承在机舱3中。桨叶吊架8包括转子臂10,其在桨叶7和转子毂9之间延伸。信号和/或测量桅杆11与转子转动轴线C2同心地设置在转子毂9上。
通常,机舱3设置在塔系统4的最顶部、隔音地被包覆并包含立式风力发电设备1的动力传动系(发电机、转子支承装置、传动装置、机械制动器以及冷却和润滑系统,参见图7)。塔系统4优选构造为桁架塔。基座5优选是混凝土基座,其吸收塔系统4连同机舱3和转子2的负荷。其它部件,如立式风力发电设备1的电力变压器、开关部件和控制装置(参见图11),优选安置在开关柜6中。
所述桨叶7围绕同样基本上平行于高度方向Z伸展的桨叶转动轴线C7可转动地支承。为了使桨叶7围绕其相应的桨叶转动轴线C7转动,所述桨叶分别设有至少一个变桨驱动器12。转子臂10中的至少一个与变桨驱动器12连接,所述变桨驱动器因此可以帮助吸收桨叶7的负荷。
图2示出了立式风力发电设备1的示意性正视图。在这里明显的是,桨叶7具有多个桨叶部段13,即,上部端部部段13a,上部中间部段13b,下部中间部段13c和下部端部部段13d。变桨驱动器12设置在上部中间部段13b和下部中间部段13c之间。在上部端部部段13a和中间端部部段13b之间以及在下部中间部段13c和下部端部部段13d之间分别设置附加的支承点14。
在上部端部部段13a和上部中间部段13b之间以及在下部中间部段13c和下部端部部段13d之间的支承点14处,桨叶7分别通过臂10中的一个臂与转子毂9连接,该臂仅构造用于传递径向于转子转动轴线C2作用的力,所述力因此基本上在平行于纵向方向X和横向方向Y展开的水平平面中作用。因为臂10中的下部的臂在下部中间部段13c的和下部端部部段13d的区域中沿高度方向Z在塔系统4的高度上位于机舱3下方,所以臂10在那里经由横向吊架15与转子毂9连接。横向吊架15包括多个横向杆16,其在臂10和横向连接元件10a之间与臂10和横向连接元件10a连接并保持所述臂和横向连接元件。
在变桨驱动器12处,在桨叶7的上部中间部段13b和下部中间部段13c之间吸收径向于和平行于转子转动轴线C2作用的力。因此,转子2的全部重量负荷在变桨驱动器12处被吸收。除了将变桨驱动器12水平地与转子毂9连接的臂10之外,还构造有用于吸收转子2的重量负荷的支撑结构17。支撑结构17包括横向杆15,该横向杆通过如下方式支撑安装在变桨驱动器12处的臂10:即所述横向杆将臂10下方的负荷在转子毂9的下部端部部段处转移到该转子毂上。
此外,在图2中清楚的是,转子毂9和塔系统4分别实施为管桁架结构。在构成为桁架塔的塔系统4的顶部,其朝向机舱3方向变细并且在那里吸收所有由转子2引起的静态和动态负荷。在塔系统4的根部,负荷经由基座5导入地面中。机舱3可以经由未示出的爬梯达到,不进一步对该爬梯进行讨论。
塔系统4在基座5处平行于纵向方向X测量到的最大宽度b4例如为22m。桨叶7的平行于高度方向Z测量到的长度L7例如为54m。立式风力发电设备1的、包括基座的超出地面的高度测量到的总高度在不具有信号和/或测量桅杆11的情况下例如为105m,在具有信号和/或测量桅杆11的情况下例如为110m。
图3示出立式风力发电设备1的示意性俯视图。在这里清楚的是,桨叶7具有桨叶翼型廓并且在圆形轨迹K上围绕转子转动轴线C2运动。圆形轨迹K的直径DK例如为32m并且大致相当于塔系统4的最大直径。
臂10在其近端部处具有两个支柱18,其两个端部水平彼此间隔开地与转子毂9连接。臂10在其远端部处结合成唯一的支柱18。在连接点19处,朝近端部引导的支柱18与朝远端部引导的支柱18叉状地聚集在一起,变桨驱动器12紧固在该朝远端部引导的支柱处。此外,横向吊架15的横向连接元件10a由在其端部处彼此连接的三个支柱18形成,所述三个支柱在沿着高度方向Z的投影中展开等边三角形,该等边三角形位于平行于纵向方向X和横向方向Y伸展的平面中。
图4示出立式风力发电设备1的桨叶7的在图2中标记的细节IV。桨叶7具有桨叶片19,其分别紧固于翼梁20处,同心于桨叶转动轴线C7设置。在上部端部部段13a和上部中间部段13b之间以及在下部中间部段13c与下部端部部段13d之间,桨叶7分别可围绕桨叶轴线C7转动运动地支承在轴承单元21中。轴承单元21包括轴承壳体22,两个滚动轴承23设置在该轴承壳体中,所述两个滚道轴承包围轴承单元21的构成为空心轴的轴承轴24。
在上部中间部段13b和下部中间部段13c之间,桨叶7在变桨驱动器12中支承在变桨驱动器12的马达轴25处。翼梁20与轴承轴24和马达轴25一起形成桨叶轴26,所述桨叶轴穿过桨叶7的整个长度,桨叶片19与所述桨叶轴牢固地连接并可转动运动地保持。例如,桨叶片19能够以壳式结构的方式紧固在翼梁20处。为此,桨叶片19具有用于吸收扭转力的外蒙皮、用于吸收弯矩的翼梁法兰、翼梁腹板以及肋和纵桁,以便防止外蒙皮成波浪形或隆起(参见图5)。
图5示出具有变桨驱动器12的桨叶7的在图4中标记的细节V的沿着桨叶转动轴线C7的示意性横截面视图。变桨驱动器12具有变桨马达27,其设置在桨叶7的上部中间部段13b和下部中间部段13c之间的中间空间28中。变桨马达27构成为电子控制的、无传动装置的、空气冷却的扭矩马达,并且具有定子环29以及由定子环29周向侧包围的并与其经由间隙间隔开的转子环30。具有散热片32的冷却体31紧固在定子环29的外周面上,以便能够导出变桨马达27的废热。
变桨马达27的转子环30安装在两个盘形的轮缘33上,所述轮缘经由夹紧套34抗扭地将转子环30与基本上圆柱形的马达轴25连接。经由夹紧套34,变桨马达27的在定子环29和转子环30之间电磁产生的且围绕桨叶转动轴线C7作用的驱动力矩从转子环30传递到马达轴25上。
变桨马达27的马达壳体35形成马达内部空间36,转子环30容纳在所述马达内部空间中。马达壳体35具有顶部37和底部38,所述顶部和底部沿轮缘33并且基本上平行于轮缘33呈盘形延伸。顶部37和底部38在内周侧分别与轴承座39连接。在外周侧,顶部37和底部38与定子环29和冷却体31连接以及在变桨马达27的指向承载桨叶7的支柱18的一侧与变桨驱动器12的马达法兰40连接。
马达法兰40构成端面41,在所述端面处支柱18经由安装在支柱18处的吊架法兰42与马达法兰40连接。该吊架法兰42构成配合端面43,所述配合端面径向远离转子转动轴线C2朝向桨叶7的圆形轨迹K的方向指向。马达法兰40和吊架法兰42借助于连接元件44彼此连接,所述连接元件优选实施为可再此松开的连接元件44,例如螺栓连接件。在马达法兰40的端面41之间设置有自由空间40a,以便在散热片32的区域中提供足够用于散热的空间或防止热量积聚。
加固片45在轴承座39和马达法兰40之间延伸,以便能够始于桨叶7从轴承座39起经由马达壳体35传递到马达法兰40上的静载荷和动载荷尽可能在不扭曲马达壳体35的情况下传递到马达法兰40上。在马达壳体35的其余部段中设有支撑片46,所述支撑片径向地从环形的轴承座39沿着顶部37和底部38向外延伸,以便加固所述顶部和底部并且防止马达壳体35的翘曲。
加固片45和支撑片46分别有利地一件式地,例如通过焊接,与顶部37、底部38、轴承座39和马达法兰40或顶部37、底部38和轴承座39连接,其中它们沿高度方向Z和相反于高度方向Z连接片式地延伸远离顶部37和底部38。加固片45和支撑片46除了其加固作用之外还通过经由马达壳体35的散热而附加地有助于冷却变桨马达37。
马达轴承47分别设置在两个轴承座39与马达轴25之间。例如,马达轴承47构成为球面滚子轴承。它们将高的径向力从桨叶7传递到转子臂10的支柱18上,并且附加地加固整个转子2。为了保护马达轴承47免受有害的环境影响,马达轴承47分别容纳在轴承容纳空间48中,该轴承容纳空间48通过密封元件49尽可能严密封闭。
密封元件49将轴承容纳空间48相对于马达内部空间36和相对于立式风力发电设备1的周围环境密封。轴承容纳空间48朝向马达内部空间36通过内环50封闭,所述内环在桨叶7的轴向方向上沿着或者相反于高度方向Z以分别贴靠马达轴承47以及在外周侧贴靠密封元件49的方式将轴承容纳空间48相对于马达内部空间36隔开。轴承容纳空间48通过外环41相对于立式风力发电设备1的周围环境封闭,所述外环分别在外侧贴靠轴承座39和在内周侧包围密封元件49。
马达轴25在其朝桨叶片19指向的端部处与过渡部段52连接或一件式过渡到过渡部段52中。过渡部段52远离变桨驱动器12延伸而变细并且容纳在桨叶片轴部段53中,所述桨叶片轴部段以适配器的类型将过渡部段52与桨叶7的横向于桨叶转动轴线C7延伸的肋54抗扭地连接。为此,过渡部段52的沿桨叶转动轴线C7的方向指向的连接端部55容纳在固定元件56内,所述固定元件至少力配合地包围连接端部55并具有径向远离连接端部55的法兰部段57,在所述法兰部段处设有形状配合元件58和其他连接元件59,例如同样呈螺栓连接形式的可再脱开的连接元件,它们建立在固定元件56和相应的肋54之间的形状配合和/或力配合。
马达轴25、过渡部段52、桨叶片轴部段53和翼梁20彼此同轴地伸展。在此,翼梁20包围桨叶片轴部段53,所述桨叶片轴部段又包围过渡部段52。肋54抗扭地安装在翼梁20处并承载桨叶7的外蒙皮60。
图6示出变桨驱动器12的示意性立体图,在变桨驱动器中变桨马达27设置有呈罩壳61形式的空气动力学包覆件。罩壳61具有上壳62和下壳63,所述上壳和下壳在顶部37和底部38的区域中罩状地包围变桨马达27,进而遮盖顶部37和底部38连同加件45和支撑片46,由此在变桨驱动器12和桨叶7之间形成的驱动间隙64保持尽可能小,并且因此在其处出现的压力损失进而伴随的收益损失保持尽可能小。在上壳62和下壳63之间形成环形间隙状的冷却口65,所述冷却口轴向围绕冷却体31并且散热片32穿过所述冷却口露出,使得所述散热片能够被环境空气绕流地不受阻碍地将变桨马达27的废热输出给立式风力发电设备1的周围环境。
驱动间隙64通过如下方式被进一步减小,罩壳61构成根据空气动力学方面成型的突起部66,其连接于上壳62和下壳63并且其外轮廓在沿着桨叶转动轴线C7的投影中基本对应于桨叶7的桨叶翼型廓。朝向转子臂10,罩壳61构成尾件67,其齐平地贴靠马达法兰40上,所述马达法兰的外径至少部段地匹配于吊架法兰42的外径。吊架法兰42的外轮廓又匹配于支柱18的外轮廓。因此,尾件67、马达法兰40、连接法兰42和支柱18以尽可能彼此齐平的外轮廓过渡到彼此中,并且在变桨驱动器12和桨叶吊架8之间存在空气动力学有利的过渡部。
图7示出立式风力发电设备1的动力传动系70的、沿着动力传动系70的驱动轴71的示意性横截面图,驱动轴的驱动转动轴线C71与转子转动轴线C2同轴地伸展。转子毂9具有支座72,其构成轴颈73,所述轴颈同样与驱动转动轴线C71和转子转动轴线C2同轴地伸展。在支座72朝着轴颈73变细的位置,在支座72处构成有反向于高度方向Z指向的毂凸肩74,所述毂凸肩平放在过渡环75上,所述过渡环本身轴向反向于高度方向Z平放在构成转子支承装置76的一部分的第一转子轴承76a上。
除了第一转子轴承76a,转子支承装置76还包括第二转子轴承76b和第三转子轴承76c。第一和第二转子轴承76a、76b例如实施为预紧的圆锥滚子轴承并且将从风负荷产生的径向力传递到塔系统4中。为此,第一和第二转子轴承76a、76b通过单独的轴承衬套77夹紧在转子轴78上。转子支承装置76的包括第一和第二转子轴承76a、76b的部分轴向自由浮动地接合到形成机座的毂联接件79中,并且因此保持无竖直负荷。第三转子轴承76c吸收转子2的竖直负荷进而基本上吸收其重力,并且为此有利地实施为轴向推力球面滚子轴承,所述轴向推力球面滚子轴承将竖直负荷直接导入到机舱3中。
紧接机舱3下方设置有立式风力发电设备1的传动装置81,在所述传动装置中,转子轴78的转子转速转换成在传动装置81的输出轴82处的发电机转速。例如呈双万向节式的、扭转刚性的钢片联轴器形式的联轴器装置83将输出轴82以传递扭矩的方式与例如具有永磁体的同步电机的发电机85的发电机轴84连接,用于产生电流,在这种情况下例如具有最大750kW的功率。联轴器装置83防止轴承力的超定。为了限制扭矩,转子轴78设置有预定断裂部位86(例如额定扭矩500kNm;预定断裂力矩1000kNm;允许的传动装置峰值力矩1500kNm)。
传动装置81将根据本发明低的转子转速转换成高的发电机转速。例如,传动装置的传动比系数i例如为大致75。传动装置81的传动装置壳体87经由法兰钟形罩88刚性地与毂联接件旋紧。因此,高的驱动扭矩被直接反馈。在转子轴78和动力传动系70之间存在双万向节式的、球形磨削的双齿联轴器89,其将转子2的扭矩在轴承力没有超定的情况下传递到传动装置81上。
另外,变桨管90与转子轴78同轴地引导穿过传动装置81并且用作用于变桨驱动器12的控制和电力电缆的穿引部。通过变桨管12与转子2抗扭地连接的方式,变桨管12在联轴器89中在预定断裂部位86上方被驱动。因此,在预定断裂部位86断裂且紧接着设备惯性运行后,用于传输信号和/或能量的电缆或线路(参见图11)不扭绞并且因此保持完好无损。
图8示出立式风力发电设备1的毂联接件80的根据本发明的第一实施例的示意性立体图。毂联接件80包括圆柱形的鼓状一件式成型的基体91,所述基体提供用于容纳动力传动系70的轴-轴承单元93(参见图7)的穿引部92。支撑脚94等距地在外周侧紧固在基体91处并且径向远离该基体延伸。支撑脚94分别构成水平定向的支架95用于将毂联接件80安装在塔系统4处。支撑脚94例如可以由板焊接在一起,以及通过焊接与基体91一件式连接或者借助法兰安装在该基体处,所述基体又可同样由板焊接在一起。
图9示出了根据本发明的毂联接件80’的第二实施方式的示意性立体图。与在图8中所示的毂联接件80的实施方式不同,毂联接件80’由多个相同形状的区段96形成,所述区段分别提供两个法兰端部97,在所述法兰端部处所述区段彼此连接围成圆并因此共同形成用于容纳轴-轴承单元93的穿引部92’。区段96中每个区段构成一承载臂98。在每个承载臂98的远离穿引部92’的远端部处成形竖直伸展的承载片99,其以位于相应的径向平面中的方式构成用于安装在塔系统4处。这些区段96例如可以单独铸造,这在此可以有助于尤其在批量生产时降低制造成本,并且除此之外有助于使区段96的材料厚度匹配于高负荷部位以及也有助于在其上设有用于减小切口应力集中效应的倒圆,例如通过如下方式:法兰端部97在形成弧形型廓的情况下过渡到承载臂98中。
图10示出立式风力发电设备1的示意性俯视图,用于说明在立式风力发电设备1运行时在桨叶7处的角位置和力关系。在立式风力发电设备1运行时,桨叶7由具有风速vw的风迎流。通过转子2围绕转子转动轴线C2旋转产生转子2的角速度ω,所述角速度与圆形轨迹K的相当于圆形轨迹K的直径DK的一半的半径RK相乘,得到桨叶7沿着圆形轨迹K的环周速度vU,根据如下公式(1):
vU=ω×RK (1)
由风速vW和环周速度vU的差得到沿着圆形轨迹K运动的桨叶7相对于风的相对速度vR,根据如下公式(2):
vR=vW-vU (2)
在桨叶7处的环周速度vU和相对速度vR的矢量之间存在迎角γ,其根据下面的公式(3)由相对的入流角或者攻角α和倾斜角或者桨距角β的和形成:
γ=α+β (3)
攻角α分别在环周速度vU的矢量和桨叶7的弦线100之间测量,所述弦线直线地在前缘101和后缘102之间伸展。桨距角β在弦线100和相对速度vR的矢量之间测量。桨叶7具有对称的桨叶翼型廓,由此桨叶弦线形成桨叶7的或其桨叶片的对称平面。
通过转子2围绕转子转动轴线C2旋转,相对速度vR是转子2的方位角Θ的函数,所述方位角例如针对相应的转子臂10从零点开始在相对于风向90°的位置中面向风相对于立式风力发电设备1的主轴线转动地测量。迎角γ的正切作为风速vW、相对速度vR和方位角Θ的函数或叶尖速比λ和方位角Θ的函数根据下面的公式(4)来计算:
其中叶尖速比λ又根据下面的公式(5)对应于环周速度vU与风速vW的比,并且根据本发明,通过相应的变桨驱动器12或其变桨马达27根据相应的风况在桨距角β变化时尽可能最佳地被设定且保持恒定,以便最大化根据本发明的立式风力发电设备1的能量产出或收益:
为了最小化变桨驱动器12的用于通过桨叶7围绕转子转动轴线C7转动改变桨距角β所需的调整力矩,有利的是:桨叶7的静态重心尽可能位于转子转动轴线C7上。例如,转子转动轴线C7在从前缘101起所测量的转子叶片深度的20%至23%、优选21.5%处设置在弦线100上。为使重心置于转子转动轴线C7上,在桨叶7中在前缘101的区域中设置有附加配重103。所述配重103例如由杆区段形成,优选钢质圆杆形成,其具有在60mm和100mm之间、最优选80mm的直径。杆区段紧固在肋54处。有利地,这些区段可以导电地彼此连接。因此,配重103可满足双重功能,其中它附加地用作避雷针。
此外,立式风力发电设备1具有至少一个风速传感器104和/或风向传感器105。风速传感器104和/或风向传感器105设置在信号和/或测量桅杆11的上端部处和/或桨叶7中至少一个桨叶处或所有桨叶7处。风速传感器104和/或风向传感器105优选在变桨驱动器12的区域中紧固在桨叶7处,因为在那里测量到的风速和/或风向对于变桨驱动器12的控制具有重要意义。
为了将风速传感器104和/或风向传感器105尽可能保持在由桨叶7引起的空气紊流之外,风速传感器104和/或风向传感器105设置在紧固在桨叶7或变桨驱动器12处的杆106的远端部处,所述远端部径向远离转子转动轴线C2地超过圆形轨迹K伸到立式风力发电设备1附近的区域中,所述区域尽可能位于围绕转子2和其部件形成的空气流动边界层之外,即尽可能地在桨叶7的影响范围之外。
图11示出用于展示立式风力发电设备1的根据本发明的控制装置107的功能的示意图。控制装置107包括供应单元108,其一方面与马达调节单元109连接并且另一方面与扼流器111和滤波器112连接,以便确保尽可能无干扰和无故障的供电,所述马达调节单元包含功率部分110。功率单元110例如构成为反相器。
经由用于传输信号和/或能量的线路113,马达调节单元109与变桨驱动器12、供电装置114和控制单元115连接,用于监测和控制立式风力发电设备1。供电装置114包括主供电单元116和辅助供电单元117,其中当主供电单元116失效或不可用时,辅助供电单元例如承担控制装置107的应急供电。
另外,控制装置107包括马达保护单元118和数据传输单元119。变桨驱动器12还包括旋转位置传感器120,其具有用于监测转子环30相对于定子环29的旋转位置的位置传感器121。变桨马达27还包括马达单元122和温度测量单元123,所述马达单元至少包含定子环29和转子环30,所述温度测量单元具有第一温度传感器124和至少一个另外的温度传感器125。第一温度传感器124例如实施为电阻相关的温度传感器(KTY),而另外的温度传感器125例如实施为具有正温度系数的温度传感器(PTC)。
在立式风力发电设备1的运行中,控制装置107的马达调节单元109的功率部分110例如将用于驱动变桨马达27所需的电流持续换向。功率部分110例如可以持续输出100至200、优选150ARMS的电流,以及提供200至250、优选210ARMS的峰值电流,以便可以短暂地调取变桨马达27的最大扭矩。控制单元115周期性地计算用于调节桨叶7中的每个桨叶的期望值S,例如作为期望桨距角βS,并将其经由相应的线路113提供给马达调节单元109。
借助旋转位置传感器120求出实际值I,例如实际桨距角βI,并且经由相应的线路113传输给马达调节单元109。马达调节单元109从期望值S和实际值I中求出差值d,例如角度偏差δ,并且从中导出控制值U,其例如呈控制电流A的形式,所述控制值U被传输给相应的驱动单元12或变桨马达27的马达单元122。相应地,根据本发明,马达调节单元109在尽可能小的角度偏差δ的情况下调节桨距角β。
温度测量单元123借助温度传感器124和另外的温度传感器125检测第一温度测量值T或至少一个另外的温度测量值Tx,它们出于冗余原因和/或为了不同应用而被求出。因此,温度测量值T经由线路113之一传输至马达保护单元118。马达保护单元118将温度测量值T与温度限值比较,并且可在超过温度限值的情况下经由相应的线路113将警报信号传输给马达调节单元109,在那里采取用于保护相应的变桨驱动器12的措施,例如紧急关闭或中断供电。同时,马达保护单元118可以经由相应的线路113将温度值传输给数据传输单元119,以将温度数据转发给马达调节单元109和/或控制单元115。
另外的温度测量值Tx经由相应的线路113直接传输给马达调节单元109,以便将驱动单元12或其部件的温度保持在预设或规定的工作温度的范围内。在马达调节单元109中能直接采取用于温度调节的措施,而在控制单元115中可以执行长期的温度调节措施。因此,借助由马达保护单元118基于温度测定值T发送的警报信号提供短暂的温度调节以保护驱动单元12,而经由转发给控制单元115的温度数据,长期温度调节是可行的,并且经由将另外的温度测量值Tx直接转发给马达调节单元109,中期温度调节是可行的。
控制装置107配置和构成用于,实现立式风力发电设备1的以下十种运行模式M0至M9:
-M0:立式风力发电设备1在第零运行模式M0中是关断的。
-M1:在第一运行模式M1中,在风速低于启动风速v1时,即在0<vW<v1,其中例如v1=3m/s时,立式风力发电设备1从无风启动准备就绪;
-M2:在第二运行模式M2中,在风速高于启动风速v1且低于额定风速v2时,即在v1≤vW<V2,其中例如v2=12m/s时,立式风力发电设备1启动;
-M3:在第三运行模式M3或起动模式中,在风速高于启动风速v1且低于第一切出风速v3时,即在v1≤vW<V3,其中例如转子的最小转速为4[1/min]且第一切出风速v3=20m/s(10分钟内测量到的平均值)时,立式风力发电设备1从以λ≤1的阻力运行转为以λ>1快速运行;
-M4:在第四运行模式M4中,在风速高于第一切出风速v3或另外的切出风速v4时,即在vW>v3或vW>v4,其中例如v4=30m/s(3秒内测量到的平均值)时,立式风力发电设备1停机;
-M5:在第五运行模式M5中,在低于重启风速v5时,在第四运行模式M4中关断后例如v5=18m/s,立式风力发电设备1重新启动;
-M6:在第六运行模式M6或者部分负荷模式中,对于风速高于启动风速v1且低于额定风速v2,即在v1≤vW≤v2时,立式风力发电设备1以恒定的叶尖速比λ运行,例如,在额定风速v2为12m/s且桨叶7在圆形轨迹K上的环周速度为vU=27.6m/s时,以叶尖速比λ在2和2.6之间,优选在2.2和2.4之间,最优选为2.3运行;
-M7:在第七运行模式M7或额定运行模式或者也以例如为16.5[1/min]的转子额定速度的满负荷运行模式中,在风速高于额定风速v2且低于第一切出风速v3或另外的切出风速v4时,即在v2<vW≤v3或v2<vW≤v4的额定风速范围内,立式风力发电设备1以可变叶尖速比λ运行;例如,在第一切出风速v3为20m/s中,以叶尖速比λ在1和1.8之间,优选在1.3和1.5之间,最优选为1.38运行;
-M8:在第八工作模式M8中,在极端风速增加梯度dvW/dt大于风速的切出梯度时,立式风力发电设备1紧急停机;和
-M9:在第九工作模式M9中,关断立式风力发电设备1,以将立式风力发电设备1从运行模式M1到M8之一转为第零运行模式。
图12示出变桨马达27的示例性扭矩特性曲线的示意图。该图关于变桨马达27的转速示出变桨马达27的最大扭矩TP、额定扭矩Ti和连续扭矩Tc。最大扭矩TP可以由变桨马达27短暂地提供,以便突发地,即在非常短的极其有限的时间范围内,引起相应的桨叶7的快速调节。在超过最大扭矩TP时,即在过载情况下,马达滑转并且因此是自身安全的,即不会发生马达损坏。额定扭矩Ti可以持续被调用直到超过温度限值。通常,连续扭矩Tc持续可用,并且不会导致超过温度限值。
图13示出具有用于控制变桨马达12的示例性的凸轮盘的示意图,即第一凸轮盘S1,其例如针对例如12m/s的额定风速v2设计,以及另一凸轮盘S2,其针对例如20m/s第一切出风速v3设计。在这两个风速之间例如设有立式风力发电设备1根据第七运行模式M7的额定运行或满负荷运行,其中转子2以额定转速旋转并且发电机85输出其额定功率。对于每个凸轮盘S1、S2,桨距角β的期望值S表示为与方位角Θ相关的期望桨距角βS
在额定风速v2下,在方位角Θ为0°时,期望桨距角βS处于小于0°,大致在-2°至-3°的范围内。在到方位角Θ为90°的过程中,期望桨距角βS首先在方位角Θ为大约20°时经过-2°至-3°的局部最大值,并且随后在方位角Θ为大约20°时经过位于-3°至-4°之间的拐点,直至在方位角Θ为大约50°时期望桨距角βS达到大约-10°的绝对最小值。
在方位角Θ为180°时,针对额定风速v2的期望桨距角βS再次处于大约2°至-3°,并且随后在方位角Θ为大约200°时达到值0°。在方位角Θ为大约250°时,针对额定风速v2的期望桨距角βS达到其大约2°至3°的绝对最大值,并且随后在方位角Θ为大约290°时再次达到值0°,并且大致同时达到拐点。紧接着,期望桨距角βS在方位角Θ为大约330°时经过大约-3°至-4°的局部最小值,并且最后在方位角Θ为大约360°时再次达到其-2°至-3°的初始范围。
在第一切出风速v3下,在方位角Θ为0°时,期望桨距角βS处于小于0°,大致在-1°至-2°的范围内,并且因此小于在额定风速v2下在方位角Θ为0°时的期望桨距角βS。在到方位角Θ为90°的过程中,在方位角Θ为大约45°时期望桨距角βS在无局部最大值的情况下经过位于-14°至-16°之间的拐点,直至在方位角Θ为大约100°时期望桨距角βS以大约-30°经过另一拐点并且随后在方位角Θ为大约100°时达到大约-37°至-38°的绝对最小值。
在方位角Θ为180°时,针对第一切出风速v3的期望桨距角βS类似于针对额定风速v2的期望桨距角βS位于大约-2°至-3°,并且随后在方位角Θ为大约170°时,比针对额定风速V2的期望桨距角βS更早地达到值0°。期望桨距角βS在方位角Θ为大约230°至240°时达到其大约35°的绝对最大值,并且随后在方位角Θ为大约270°时在大约25°达到拐点。紧接着,期望桨距角βS在方位角Θ为大约320°时在大约15°经过拐点,并且最后在方位角Θ为大约360°时再次达到其-1°至-2°的初始范围。
图14示出了用于求出立式风力发电设备1的变桨马达27的定位误差的测试台200的示意性立体图。测试台200安置于框架结构201上,在所述框架结构上紧固有用于保持变桨驱动器12或变桨马达27的保持臂202和横向臂203。变桨驱动器12连同桨叶7的部段类似于在立式风力发电设备1的转子臂10处那样经由马达法兰40安装在测试台200的保持臂202处。从变桨马达27伸出的过渡部段52以可围绕桨叶转动轴线C7转动的方式容纳在测试台200的轴容纳部204内。
轴容纳部204居中地设置在摆臂205上,所述摆臂同样可围绕桨叶转动轴线C7转动地保持在框架结构201的扩展部206处。在摆臂205的远离桨叶转动轴线C7的两个端部处分别保持有重量块207。重量块207模拟桨叶7的总质量。此外,摆臂205的端部经由呈螺旋弹簧组形式的弹簧元件208和紧固在其处的铰接装置209与横向臂203连接。弹簧元件208模拟风力。
图15示出借助于在图14中示出的测试台200求出的定位误差的示意性的图,定位误差呈变桨马达27的在多个调节周期内在以秒计的时间t上单位为°的角度偏差δ的形式,在所述多个调节周期期间,模拟的方位角Θ总是经过360°的转子旋转。在立式风力发电设备1中不出现的初始瞬态过程之后,角度偏差δ对于值在最大30至40°的期望桨距角βS达到值小于1.5°的值。
图16示出变桨马达27的定位误差的示意性的图,定位误差呈针对额定风速v2在一个调节周期内在以秒计的时间t上单位为°的角度偏差δ的形式。在额定风速v2时,角度偏差δ的值始终小于0.5°,并且分别在期望桨距角βS的局部和绝对最小值以及最大值之后达到值最大约0.25°。在期望桨距角βI的拐点的范围内,角度偏差δ在0°附近波动。
图17示出变桨马达27的定位误差的示意性的图,定位误差呈针对第一切出风速v3以在一个调节周期内以秒计的时间t上单位为°的角度偏差δ的形式。在第一切出风速v3时,角度偏差δ的值始终小于1.5°,并且在期望桨距角βS的局部且绝对的最小值之后达到值最大约1.45°以及在期望桨距角βS的局部且绝对的最大值情况下达到值最大约0.6。在期望桨距角βI的拐点的范围内,角度偏差δ同样在0°附近波动。通常,角度偏差δ在第一切出风速v3的情况下比在额定风速v2的情况下略高。
在本发明构思的范围内,不同于上述实施形式和实施例是可行的。因此,本领域技术人员认识到:立式风力发电设备1和其部件的特征值和参数以及用于控制部件的值可以根据立式风力发电设备1的尺寸而定和变化。因此,物理变量的所有上述值,例如风速,主要针对立式风力发电设备1的在这里所描述的一个设计情况说明,其具有额定功率750kW、标称高度105m、转子直径32m、桨叶7的长度54m,桨叶7离地高度51m、桨叶7的中心离地高度78m、安全风速59.5m/s和年平均风速8.5m/s,并且可以根据其他设计情况变化,从而又可以获得相对物理变量的偏差,如叶尖速比的偏差。
此外,在本发明构思的范围中,可以不同于在此描述的实施例,对于每个桨叶7设有多于两个变桨驱动器12或例如对于每个桨叶部段13设有各一个变桨驱动器12。换句话说,可以相应设置两个桨叶7或桨叶部段13,它们竖直彼此分离地被驱动。因此,例如,两个变桨驱动器12可设置在两个桨叶7或桨叶部段13之间,并且作为上部和下部的变桨驱动器12分别与两个桨叶7或两个桨叶部段13中的一个上部的或一个下部的相关联。上部的桨叶或桨叶部段13因此可以独立于下部的桨叶7或桨叶部段13地围绕其相应的桨叶转动轴线C7转动。
两个桨叶7或桨叶部段13中每个可以与至少一个风速传感器104和/或风向传感器105相关联。有利的是,至少一个风速传感器104和/或风向传感器105居中地设置在相应的桨叶7或桨叶部段13处,并且可以如上所述在那里安装在杆106处。因此,对于竖直地彼此上下设置的桨叶7或桨叶部段13中的每个,可以彼此分开地设定最佳的桨距角β,以便在立式风力发电设备1运行时考虑在高度方向Z上沿着桨叶7变化的风流动情况,从而进一步提高其效益。这可尤其针对如下圆形轨迹直径DK考虑,所述圆形轨迹直径大于32m,并且例如为45m,其中桨叶7的总长度L7于是会例如约为73m。
附图标记列表
1 立式风力发电设备 21 轴承单元
2 转子 22 轴承壳体
3 机舱 23 滚动轴承
4 塔系统 24 轴承轴
5 基座 25 马达轴
6 开关柜 26 桨叶轴
7 桨叶 27 变桨马达
8 桨叶吊架 28 中间空间
9 转子毂 29 定子环
10 转子臂 30 转子环
10a 横向连接元件 31 冷却体
11 信号和/或测量桅杆 32 散热片
12 变桨驱动器 33 轮缘
13 桨叶部段 34 夹紧套
13a 上部端部部段 35 马达壳体
13b 上部中间部段 36 马达内部空间
13c 下部中间部段 37 壁部/顶部
13d 下部端部部段 38 壁部/底部
14 支承点 39 轴承座
15 横向吊架 40 马达法兰
16 横向杆 40a 自由空间
17 支撑结构 41 端面
18 支柱 42 吊架法兰
19 桨叶片 43 配合端面
20 翼梁 44 连接元件
45 加固片 74 毂凸肩
46 支撑片 75 过渡环
47 马达轴承 76 转子支承装置
48 轴承容纳空间 76a 第一转子轴承
49 密封元件 76b 第二转子轴承
50 内环 76c 第三转子轴承
51 外环 77 轴承衬套
52 过渡部段 78 转子轴
53 桨叶片轴部段 79 毂联接件
54 肋 80 毂联接件
55 连接端部 80’ 毂联接件
56 固定元件 81 传动装置
57 法兰部段 82 输出轴
58 形状配合元件 83 联轴器装置
59 另外的连接元件 84 发电机轴
60 外蒙皮 85 发电机
61 罩壳 86 预定断裂部位
62 上壳 87 传动装置壳体
63 下壳 88 法兰罩
64 驱动间隙 89 双齿联轴器
65 冷却口 90 变桨管
66 突起部 91 基体
67 尾件 92 穿引部
70 动力传动系 92’ 穿引部
71 驱动轴 93 轴-轴承单元
72 支座 94 支撑脚
73 轴颈 95 支架
96 区段 123 温度测量单元
97 法兰端部 124 温度传感器
98 承载臂 125 另外的温度传感器
99 承载片
100 弦线 200 测试台
101 前缘 201 框架结构
102 后缘 202 保持臂
103 配重 203 横向臂
104 风速传感器 204 轴容纳部
105 风向传感器 205 摆臂
106 杆 206 扩展部
107 控制装置 207 重量块
108 供应单元 208 弹簧元件
109 马达调节单元 209 铰链装置
110 功率部分
111 扼流器 i 传动比系数
112 滤波器 d 差值
113 线路 t 时间
114 供电装置 vW 风速
115 控制单元 vU 圆周速度
116 主供电单元 vR 相对速度
117 辅助供电单元 v1 启动风速
118 马达保护单元 v2 额定风速
119 数据传输单元 v3 第一切出风速
120 旋转位置传感器 v4 另外的切出风速
121 位置传感器 v5 重启风速
122 马达单元
A 控制电流 Tp 最大扭矩
B4 塔系统的最大宽度 U 控制值
C 2转子转动轴线 RK 圆形轨迹的半径
C7 桨叶转动轴线
C71 驱动转动轴线 X 纵向方向
DK 圆形轨迹的直径 Y 横向方向
L7 桨叶的长度 Z 高度方向
K 圆形轨迹
I 实际值 α 攻角
P1 阻力 β 桨距角
P2 升力 βI 期望桨距角
S 期望值 βS 实际桨距角
S1 第一凸轮盘 δ 角度偏差
S2 另外的凸轮盘 γ 迎角
T 温度测量值 λ 叶尖速比
Tx 另外的温度测量值 Θ 方位角
Tc 连续扭矩 ω 角速度
Ti 额定扭矩

Claims (15)

1.一种具有多个竖直的桨叶(7)的立式风力发电设备(1),所述多个竖直的桨叶(7)分别紧固至各自竖直的桨叶轴(26)而以能够彼此独立地围绕相应的桨叶转动轴线(C7)转动的方式被支承,并且所述多个竖直的桨叶(7)被支承成能够围绕竖直的转子转动轴线(C2)在共同的圆形轨迹(K)上旋转,
其特征在于,
所述立式风力发电设备(1)构成为:至少在所述立式风力发电设备(1)的部分负荷模式下调节所述桨叶(7)的桨距角(β),使得所述桨叶(7)以基本恒定的叶尖速比(λ)旋转。
2.根据权利要求1所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,所述立式风力发电设备(1)设计成用于在至少部分地介于3m/s至12m/s之间的风速范围内在部分负荷模式下运行。
3.根据权利要求1或2所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,所述恒定的叶尖速比(λ)在2至2.6之间,优选地在2.2至2.4之间,最优选地基本上为2.3。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,所述立式风力发电设备(1)构成为:调节所述桨距角(β),使得在所述立式风力发电设备(1)的额定运行模式下,所述桨叶(7)以可变的叶尖速比(λ)旋转。
5.根据权利要求4所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,所述立式风力发电设备(1)构成为:调节所述桨距角(β),使得在额定运行模式下,所述桨叶(7)以基本恒定的额定转速旋转。
6.根据权利要求4或5所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,在所述立式风力发电设备的第一切出风速v3下,所述可变的叶尖速比λ在1和1.8之间,优选在1.3和1.5之间,最优选基本上为1.38。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,所述立式风力发电设备(1)构成为:在起动模式下调节所述桨距角(β),使得所述桨叶(7)由叶尖速比λ≤1的阻力运行转为叶尖速比λ>1的快速运行。
8.根据权利要求1至7中至少一项所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,所述桨距角(▲)的调节基于至少一个凸轮盘(S1,S2),所述凸轮盘针对所述转子(2)的整个旋转基本上连续地确定所述桨距角(β)。
9.根据权利要求1至8中至少一项所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,分别相对于所述转子转动轴线(C2),与所述桨叶(7)的背风位置相比,所述桨叶(7)的迎风位置的桨距角(7)的最大量值通常更大。
10.根据权利要求1至9中至少一项所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,对于在额定风速(v2)范围内的风速,在从垂直于风向的零线测得的方位角(Θ)为0°的情况下,所述桨距角(β)小于零。
11.根据权利要求1至10中至少一项所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,至少对于在额定风速(v2)范围内的风速,在从垂直于风向的零线测得的方位角(Θ)为0°至90°的情况下,存在所述桨距角(β)的局部最大值。
12.根据权利要求1至11中至少一项所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,设有至少一个风速传感器(104)和/或至少一个风向传感器(105),所述风速传感器和/或风向传感器设置在所述桨叶(7)中的至少一个桨叶处并且以传递信号的方式与控制装置(107)连接,用于确定所述桨距角(β)的期望值(S)。
13.根据权利要求1至12中至少一项所述的立式风力发电设备(1),其特征在于,在风速从无风直至所述立式风力发电设备(1)的另外的切出速度(v4)的情况下,在调节所述桨距角(β)时的定位误差(δ)的值基本上总是小于5°,优选小于3°,最优选小于1.5°。
14.一种用于根据权利要求1至13中至少一项所述的立式风力发电设备(1)的安装套件。
15.一种用于运行立式风力发电设备(1)的方法,其中预设所述立式风力发电设备(1)的围绕各自竖直的桨叶轴(26)被驱动的竖直的桨叶(7)的桨距角(β),其特征在于,至少在所述立式风力发电设备(1)的部分负荷模式下调节所述桨距角(β),使得所述桨叶(7)以基本恒定的叶尖速比(λ)旋转。
CN201780092775.8A 2017-06-30 2017-06-30 具有经调节的叶尖速比特性的立式风力发电设备以及其安装套件和其运行方法 Pending CN110892152A (zh)

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