CN112236594A - 用于运行风能设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行风能设备的方法，所述风能设备具有可变的转子转速和可调节的转子叶片和与转子耦联的发电机，其中方法包括如下步骤：·指定风能设备的所在地处的空气密度；·在预设至少一个桨距特性曲线(Kα,ρ)的情况下设定可调节的转子叶片的叶片角(α)，所述桨距特性曲线作为输出功率和/或转矩和/或转子转速的函数以及根据空气密度指定叶片角。根据本发明还提出，为了考虑风能设备的所在地处的空气密度(ρ)，桨距特性曲线是与所在地处的空气密度有关的桨距特性曲线(Kα,ρ)，在所述桨距特性曲线中，·在所在地大气的适用于所在地的参考密度(ρ0)的范围内，叶片角(α)根据所在地处的空气密度具有最小值(α0)。

Description

用于运行风能设备的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于运行风能设备的方法、尤其在具有空气密度的特点为寒冷气候的所在地处运行风能设备的方法，以及一种用于运行风能设备的装置和一种风能设备。

背景技术

开始提及的类型的风能设备优选地构成为所谓的水平轴线风能设备，在所述水平轴线风能设备中，转子轴线基上本水平地设置，并且转子叶片掠过基本上垂直的转子面。这种现代的风能设备通常具有三个转子叶片，此外，所述转子叶片的叶片角可以调节。借此，这种风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有其叶片角(桨距角)可调节的转子叶片，其中转子可以以可变的转子转速运行，并且所述风能设备具有与空气动力学转子耦联的发电机。

在此，转子叶片的叶片角可以在约90°的顺桨位置与部分负载运行中的功率最佳的角之间进行调节。

在关于本申请的优先权申请中，德国专利商标局已经检索了以下现有技术：DE102010054013 A1、DE 102016123450 A1、US 2013/0045098 A1、US 2013/0101413 A1、US2013/0280066 A1、US 2016/0146189 A1、EP 1368566 B1、EP 1918581 A2和EP 2463520A2。

部分负载运行中的功率最佳的角与不同的参数有关。所述功率最佳的角通常可以处于约0度或其上的范围内。所述功率最佳的角也可以根据设备类型而改变，并且也可能有利的是在部分负载运行中，将叶片角调节为略微低于0°，例如调节到-0.5°。

可调节的转子叶片的叶片角(α)的调节、尤其可调节的转子叶片的每个叶片角(α)的调节原则上用于使一个或多个转子叶片从额定风速(额定运行)基本上随着进一步上升的风速转离风中、即提升所述转子叶片的叶片角。即当前原则上使用如下术语，即朝向顺桨位置提升叶片角。在风速还未达到额定风速的部分负载范围内设定功率最佳的叶片角。所述功率最佳的叶片角尽管针对不同转速原则上也可以不同设定，因此对于不同的转速不必是恒定的。

因此，也称为部分负载角的所述叶片角尤其在空气动力学上优化地并且可能负载优化地被选择。为此，在所述部分负载运行中，风能设备尽可能地以优化的叶尖速比运行。在此应注意，所述优化的部分负载角与优化的叶尖速比、即转子转速与风速的比——或更好地叶片尖端速度与风速的比——相协调。

当前，用于风能设备的功率计算(WEA)在假定标准大气的情况下执行。在此使用的用于空气密度ρ的标准密度ρ_norm为ρ_norm＝1.225kg/m³，即根据国际民航组织(ICAO)的用于标准大气(ISA)的规定。在15℃和海平面上5m时达到1.225kg/m³的标准空气密度。因此，例如根据按照IEC(International Electrotechnical Commission)的预确定的温度包络线进行风能设备的设计——密度ρ之间的关系需要考虑温度T和必要时需要考虑空气湿度，例如当基于压力p下的理想气体方程时借助于潮湿空气的气体常数R_f：

以所述方式，经由空气的压力、温度和可能的湿度的测量，也可以计算地实现密度确定。也可以使用风能设备的所在地高度以便确定所在地处的空气密度ρ。

原则上也已知，在运行风能设备时考虑对于风能设备相关的空气密度。从EP 1368 566 B1中已知根据对于风能设备相关的空气密度来调整运行管理。关于由设备产生的电功率适用：

在此，А表示被穿流的转子圆形面积，η表示电动传动系的效率(尤其发电机效率)，和c_p表示空气动力学的功率系数。下文中将空气动力学的功率系数假设为恒定的。在假定功率P以及等式的其他变量可以恒定不变的情况下，首先对于叶片尖端速度遵循：

因此，在假定其他变量恒定的情况下，叶片尖端速度v_tip于是原则上将与密度ρ的三次根成反比，或者功率会与密度ρ成正比。

根据EP 1 368 566提出，在风能设备的控制设备中保存有功率特性曲线，所述功率特性曲线允许控制风能设备从确定的与风速有关的转子转速中确定相关联的发电机功率。已经认识到，当风的能量数量过低时，发电机的转子不能施加实用的发电机转矩，并因此转子转速由于发电机转矩过高而可能降低。作为解决方案，在EP 1 368 566 B1中提出，对风能设备的建立位置的高度高于NN的考虑顾及功率特性曲线中较低的空气密度。由此，与转子转速和从而确定的叶尖速比λ相关联的、由风能设备待产生功率被对应地调整、即降低，使得发电机转矩由于通过控制设备设定的励磁电流而不超过经由转子提供的转矩。这引起经由功率特性曲线确定的效率被保持，并且可以从风中提取最大的能量。

空气密度也对噪声水平有影响；因此从US 2013/0280066 A1中已知一种用于运行风能设备的方法，其中在噪声降低模式中，基于风能设备参数的至少一个期望值将由风力涡轮机产生的噪声保持在低于预定义的噪声排放水平。提出：将修正因数应用于风能设备参数的至少一个期望值。修正因数根据与空气密度相关的值确定。为此视为有利的是，在考虑空气密度的情况下，在寒冷的所在地可以借助于噪声水平管理(SPE)或噪声抑制操作(NRO)更好地遵守对于噪声水平的预设。

然而，在调节的范围内，功率相关的相关性是复杂的——因此，US 2013/0101413A1公开了一种用于控制风能设备的叶片角的方法，所述风能设备具有转子，所述转子具有至少一个转子叶片。至少一个转子叶片的对应的迎角的设定被视为是确定的空气密度的函数。为此，经由修正桨距角来修正参考桨距角，以便借助于所述方法可以修正存在的桨距控制。根据US 2013/0101413 A1的图2，如预期的那样，风能设备的功率由于在单位时长内密度有关地由风输入的动能在确定的风速下随空气密度而升高。此外，提升的空气密度虽然不一定引起提升的转子速度(无论如何低风速下提升的转子速度不在转子的可变的速度调节范围内)，但是根据US 2013/0101413 A1的图3，在固定确定的转子速度的情况下，功率随着空气密度升高；这可以通过在较高的空气密度下设定较高的发电机转矩来实现。发电机转矩从确定的上部转子速度起提升；这可以是额定转子速度。然后，风能设备的功率由于提升的发电机转矩而随着提升的风速升高。

因此，根据US 2013/0101413 A1，如下桨距角(叶片角)是最佳的：在所述桨距角(叶片角)中可达到风力涡轮机的最大功率，并且因此，最佳的桨距角是对于达到确定的功率需要最低风速的桨距角。对于所述功率优化的调节机构，为相对于根据IEC标准的1.225kg/m³的标准密度降低的1.0kg/m³和0.8kg/m³的空气密度指定了优化的桨距角。已经证实，根据US 2013/0101413A1的图4，空气密度对这样优化的桨距角的影响相对强烈。

EP 2 463 520 A2涉及一种用于运行桨距调节的风能设备的方法，在所述风能设备中，根据发电机或转子的转速n分配用于发电机转矩的期望值M。在部分负载运行中，用于发电机转矩的期望值随着增大的转速而提升。在额定负载运行中，转速n3的调节通过在期望值M3的情况下调节叶片设定角来实现。从部分负载运行到额定负载运行的过渡在过渡点处进行，所述过渡点通过用于转速n3的值和用于发电机转矩的期望值M3来定义。过渡点的值根据空气密度的当前的值确定，其中随着降低的空气密度，转速n3提升和/或用于发电机转矩的期望值M3减小。

因此原则上已知，在风能设备的所在地处指定空气密度，并且在预设输出功率和/或转子转速的情况下、尤其根据输出功率和/或转子转速来设定可调节的转子叶片的每个叶片角。风能设备越来越多地架设在非常偏远的地区中，这些地区可能在气候上和设立高度方面与常见的边界条件显著偏离。在此，边界条件、特别大气条件与常见的前提条件偏离得越强烈，最佳的部分载荷角和可能的最佳叶尖速比的计算所基于的假定与设立位置的匹配就越少。对应地，可能在部分负载运行中出现至少较差的效率。甚至可能引起无法如规划的那样进行部分负载运行、至少相对不稳定地运行。然而，在例如大的高度和/或具有平均提升的温度的所在地处，所述假定至少在数量上不再正确。在大的高度的所在地处，可能出现，密度与基于所使用的标准密度ρ_norm的设计条件相当严重偏离约30％的较小值。

另一方面，EP 1 918 581 A2提出，当周围环境的空气温度低于预确定的极限时，测量风能设备的周围环境的温度，并且降低风能设备的输出功率，以便由此减少风能设备的部件处的负载——通过在寒冷的天气条件下测量周围环境的压力和周围环境的温度来确定空气密度可以用于根据确定的空气密度减少作用于风能设备上的负载，使得所述负载处于风能设备设计用于的允许的负载内。

仍然已经证实，优化WEA的年发电量(AEP-Annual Energy Production)是相关的。这尤其适用于上文中所提及的空气密度变化的情况。随着空气密度变低，可供使用的风功率可能更低，而随着空气密度升高，风能设备处的负载可能更大。期望的是，整体上尽可能利用可供使用的风功率，并且仍然考虑对于风能设备不利的效果、例如随着升高的空气密度的负载。

然而，根据现有技术，叶片角(桨距角)在恒定功率下根据的空气密度——如开始所阐述——基本上是单调下降的函数。转子叶片设计用于“Cold Climate”空气密度；即与设备的设计有关的寒冷周围环境中的空气密度，使得即使在最恶劣的气候条件下以及在转子叶片经过塔时的最大可能的弯曲下，叶片尖端与塔之间仍然得出足够的间隔，因此，所谓的塔间隙始终采用明显大于0的值；并且由此在任何情况下都不引起叶片尖端与塔的后果严重的接触。

例如，优选地将海拔高度上的“Cold Climate”空气密度假定为具有ρ>＝1.3kg/m³的参考密度ρ0，其中理解为，例如原则上选择值ρ>＝1.3kg/m³，并且也可以将在标准密度ρ_norm与1.3kg/m³之间的另一值选择为用于参考密度的“Cold Climate”空气密度。如果将设备针对这种所谓的“Cold Climate”条件增强，则因此对于所述较高的空气密度——在所述较高的空气密度下，比在标准空气密度ρ_norm＝1.225kg/m³出现更大的负载和从而出现更大的叶片弯曲——也必须确保塔间隙。因此，进行运行管理的确定和在此尤其在部分负载中以及进入额定负载范围内的叶片角的预设，使得在“Cold Climate”条件下确保塔间隙。

发明内容

本发明在此点开始：本发明的目的是提出用于运行风能设备、尤其用于产生电功率的方法和装置，所述风能设备具有转子和经由转子驱动的发电机，以及提出一种与之对应的风能设备。本发明的目的在于，消除或减少上文中提及的问题中的至少一个问题。

然而尤其在考虑对于风能设备相关的空气密度的情况下，尤其根据“ColdClimate(寒冷气候)”条件的标准，以及有利地在确保塔间隙的情况下，应整体上以改进的方式使用可供使用的风功率。

尤其地，应实现提升桨距受控制的或可调整叶片角的、转速可变的风力设备的年发电量。优选地，这应在风能设备的升高的AEP的意义上被理解，其中优选地，应在较低和较高的空气密度的情况下——与正常条件相比——将对环境的作用和/或风能设备上的过度负载仍然保持在控制下。

进一步地，本发明的目的尤其是，在用于开环控制和/或闭环控制的这种方法或对应的装置中或在相应的风能设备中，根据对于风能设备的相关的——与正常条件相比——较低和较高的空气密度调整运行管理，使得可以优化或改进发电机的要输出的电功率并且仍然可以将所提及的负载保持在控制下。

本发明的目的尤其是提出一种对应的用于控制和/或调节风能设备的装置，并且提出一种对应的考虑所述目的状况的风能设备。

涉及方法的目的通过具有权利要求1的方法的本发明来实现。

根据权利要求1的前序部分，开始提及的类型的方法基于如下事实：为了运行风能设备、尤其在特点为寒冷气候的所在地运行风能设备，风能设备具有：

-空气动力学转子，所述空气动力学转子具有其叶片角可调节的转子叶片，其中转子可以以可变的转子转速运行，并且所述风能设备具有与空气动力学转子耦联的发电机、尤其用于产生输出功率的发电机。方法包括如下步骤：

-指定风能设备的所在地处的空气密度

-根据输出功率和/或转矩和/或转子转速来设定可调节的转子叶片的叶片角(α)、尤其是可调节的转子叶片的每个叶片角。

根据本发明，还提出

-叶片角的设定在预设至少一个桨距特性曲线的情况下、尤其根据至少一个桨距特性曲线来进行，所述桨距特性曲线作为输出功率和/或转矩和/或转子转速的函数以及根据空气密度指定叶片角，其中

-为了考虑风能设备的所在地处的空气密度，桨距特性曲线是与所在地处的空气密度有关的桨距特性曲线，并且在所在地大气、尤其特点为寒冷气候的所在地处的所在地大气的适用于所在地的参考密度的范围内，叶片角根据所在地处的空气密度具有最小值。

优选地，所在地大气的参考密度是标准大气的标准密度或特点为寒冷气候的所在地的“Cold Climate”空气密度、优选地是密度高于1.3kg/m³的密度(ρ)或在1.3kg/m³处的参考密度(ρ0)。

通常，风能设备、尤其风能设备的叶片的设计有利地针对所在地处的作为参考密度的确定的空气密度进行。然而，主要由于温度波动，所在地也经历空气密度围绕参考密度的带宽。因此，参考密度例如可以是所在地处的平均空气密度。因此，在所在地大气的参考密度下最小值的范围有利地包括与参考密度偏离+/-10％、尤其+/-5％的空气密度。如果所在地处的参考密度是标准大气的标准密度，则在标准大气的标准密度下最小值的范围包括与标准密度偏离+/-10％、尤其+/-5％的空气密度。特点为寒冷气候的所在地的“ColdClimate”空气密度也可以用作参考密度、优选地密度高于1.3kg/m³或在1.3kg/m³处的参考密度。

结果，本发明——非常简化地——提出使用特别的运行管理的适合于所在地的空气密度的确定、尤其桨距特性曲线、额定转速和/或功率特性曲线或转矩特性曲线。本发明基于如下考虑：总的来说仅在相对较少的所在地中会存在平均空气密度，所述平均空气密度显著高于标准空气密度——或显著高于一般参考密度。即使在这种所在地处的设备中，按一整年考虑，设备经受由于较低的周围环境温度而再次高于所述提升的平均空气密度的空气密度的时长是有限的。

根据本发明的考虑尤其可以确定，根据现有技术，风力设备在塔间隙方面针对仅在所述风力设备的运行时间的小部分期间实际经受的情况被增强。或者换言之，塔间隙在例如标准密度下比其所必须的塔间隙大，因为设备设计用于和运行成，使得甚至对于大于标准密度ρ_norm＝1.225kg/m³——或通常参考密度ρ0——的空气密度ρ，伴随随后较大的负载和叶片弯曲仍然存在足够的塔间隙。

现在，本发明的认知在于，设备运行成，使得所述设备对于大于等于标准空气密度ρ_norm＝1.225kg/m³或仅略微低于其、例如低于ρ_norm的5％——或通常大于等于参考密度ρ0或仅略微低于其、例如低于参考密度ρ0的5％——的密度仅具有所需的塔间隙。具体地，根据所述认知，可以经由叶片角来控制叶片弯曲。

本发明已经认识到，经由较大的叶片角(α)，可以减小作用于转子叶片上的推力，并从而减小所述转子叶片的弯曲。因此，转子叶片和桨距管理的设计在标准密度——或通常参考密度——下将彼此协调，使得随后设定最小塔间隙。因此，在本发明的意义上的这种方法途径中，在标准密度ρ_norm——或通常参考密度ρ0——下出现比根据现有技术小的叶片角。

借此，根据本发明的认知，一个转子叶片或多个转子叶片的桨距应适合于空气密度、即待设定的叶片角是输出功率和/或转矩和/或转子转速以及此外空气密度的函数(而不仅如迄今为止是输出功率和/或转矩和/或转子转速的函数)。

本发明可以在转速可变的、变桨受控制的风力设备处实现，所述风力设备提出空气密度的确定(所述风力设备例如能够经由测量空气压力和温度和/或设备的所在地高度来确定空气密度)并且具有在叶片角的控制中考虑所述值的可能性。在改进方案的范围内，也可以在额定转速的控制中考虑所述值。

因此，为了考虑风能设备的所在地处的空气密度，本发明提出桨距特性曲线，所述桨距特性曲线是与所在地处的空气密度有关的桨距特性曲线。

根据桨距特性曲线，在所在地大气、尤其特点为寒冷气候的所在地处的所在地大气的适用于所在地的参考密度的范围内，叶片角根据所在地处的空气密度具有最小值。

此外，在较小的叶片角的情况下，在大多数情况下，在改进方案的范围内，可以从风中提取更多的功率，并且相对于根据现有技术的迄今为止的方法，通过根据本发明的方法提高了发电量。本发明的目的尤其是，通过使用适合于所在地的空气密度的浆距特性曲线和/或——如论如何在改进方案的范围内——额定速度，为浆距受控制的、转速可变的风力设备的年发电量的提升创造基础。

在目的状况的范围内，本发明也引出权利要求22的装置和权利要求23的风能设备。

装置构成用于开环控制和/或闭环控制风能设备，所述风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有其叶片角可调节的转子叶片，其中转子可以以可变的转子转速运行，并且所述风能设备具有与空气动力学转子耦联的发电机。装置具有运行管理，所述运行管理构成用于执行根据本发明的方法，其中运行管理构成用于指定风能设备的所在地处的空气密度，并且根据输出功率和/或转矩和/或转子转速来设定可调节的转子叶片的每个叶片角。

根据本发明提出，

-运行管理具有桨距特性曲线，并且叶片角的设定在预设至少一个桨距特性曲线的情况下、尤其根据至少一个桨距特性曲线来进行，所述桨距特性曲线根据输出功率、转矩和/或转子转速以及根据空气密度指定叶片角，其中

-为了考虑风能设备的所在地处的空气密度，桨距特性曲线是与所在地处的空气密度有关的桨距特性曲线，并且在所在地大气、尤其特点为寒冷气候的所在地处的所在地大气的适用于所在地的参考密度的范围内，桨距特性曲线的叶片角根据空气密度具有最小值。

风能设备、尤其在具有空气密度的特点为寒冷气候的所在地处的风能设备，所述风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有其叶片角可调节的转子叶片，其中转子可以以可变的转子转速运行，以及

-与空气动力学转子耦联的发电机。

风能设备的特征在于根据本发明的用于开环控制和/或闭环控制和/或构成用于执行根据本发明的方法的装置。

本发明的有利的改进方案可从从属权利要求中获知，并且所述改进方案详细地说明了在目的状况的范围内以及关于其他优点实现上述构思的有利的可能性。

优选地，所在地大气的参考密度(ρ0)是标准大气的标准密度(ρ_norm)或特点为寒冷气候的所在地的“Cold Climate”空气密度、优选地密度(ρ)为高于1.3kg/m³或在1.3kg/m³处的参考密度(ρ0)。

风能设备的特点为寒冷气候的所在地尤其是如下所在地：所述所在地的年平均温度低于0℃、尤其低于-15℃，和/或所述所在地的年最低温度处于低于-15℃、尤其低于-20℃的范围内，和/或可以假设密度(ρ)高于1.3kg/m³或在1.3kg/m³处的参考密度(ρ0)。

在改进方案的范围内，桨距特性曲线的函数基于理论的考虑事先创建，并且保存在设备的运行管理中。

可以在设备处测量空气压力和/或温度和/或空气湿度，以及可能附加地或替选地也可以测量所在地高度。可以有利地从中计算空气密度，或者可以直接测量空气密度，使得可以借助于所保存的函数来确定叶片角。优选地提出，检测对于风能设备相关的周围环境变量，所述周围环境变量至少包括对于风能设备相关的空气密度和/或温度和/或空气湿度，以及可能附加地或替选地也包括所在地高度。尤其地，为了检测空气密度，可以测量空气压力和空气温度和/或空气湿度，以及可能附加地或替选地也可以测量所在地高度作为风能设备的周围环境中的其他相关的周围环境变量，并且可以从中确定空气密度。

有利地在运行中测量弯曲或塔间隙，并且基于所述测量值来设定叶片角，使得始终确保足够的塔间隙。在所在地大气的参考密度下有利地确定塔间隙和/或叶片弯曲。尤其提出，确定或测量在风能设备的转子叶片经过塔时叶片尖端的区域中的水平间隔和/或转子叶片到塔的叶片弯曲，其中叶片角的最小值确定成使得塔间隙是最小的。在图6中示出所述特别优选地关系的原理性图解说明示图。其中可看出以下内容。

优选地提出，塔间隙在标准大气的标准密度——或通常所在地大气的参考密度——下在叶片角的局部最小值中是最小的，其中与空气密度有关的桨距特性曲线(Kα,ρ)延伸成，使得在预设至少一个桨距特性曲线的情况下设定叶片角时，保持最小塔间隙。

优选地还提出，与空气密度有关的桨距特性曲线延伸成，使得在预设至少一个桨距特性曲线的情况下设定叶片角时，至少对于关于所在地大气的参考密度、尤其标准大气的标准密度而提升的空气密度尽可能地保持最小塔间隙，或者对于相同提升的空气密度，所述最小塔间隙与根据空气密度的线性减小的最小塔间隙相比恒定不变。附加地或替选地，借助于本发明的构思的措施，对于相同降低的空气密度，与根据空气密度的线性减小的最小塔间隙相比，也可以对于降低的空气密度降低塔间隙。

优选地，在所在地大气的适用于所在地的参考密度的范围内，降低叶片角和/或提升在额定运行中的额定转速。

尤其提出，根据与空气密度有关的桨距特性曲线，相对于设有更大的叶片角的转速，在标准大气的标准密度——或通常所在地大气的参考密度——下，额定运行中的额定转速(n_N)随着叶片角提升。

优选地提出，在额定运行中，在相对于标准大气提高的空气密度(ρ＞)的第一叶片角(α>(ρ>)时的转速与相对于标准大气降低的空气密度(ρ<)的第二叶片角(α<(ρ<)时的转速之间的范围内提升额定转速(n_N)；尤其在桨距角的最小值(α0)的范围内、即所在地大气的适用于所在地的参考密度(ρ0)的范围内，所述所在地大气尤其包括与参考密度、尤其标准密度偏离+/-10％、尤其+/-5％的空气密度。

即在标准空气密度下——或通常在参考密度下——至少部分地替代降低叶片角，或与降低叶片角相结合，也可以有利地提出相对于在“Cold Climate”条件下的运行提升额定转速。额定转速的这种提升定性地可以具有如针对桨距所描述的相同的效果。

也可以提出降低叶片角和提升额定转速的组合。然而，在任何情况下，设备在标准空气密度ρ＝1.225kg/m³下——或通常在参考密度下——都可以以在叶片角和/或额定转速方面与在“Cold Climate”条件下、优选地具有密度ρ>＝1.3kg/m³的“Cold Climate”条件下不同的设定来运行。

例如，本发明的构思在第一改进方案的范围内有利地提供了如下可能性：通过使用改变的运行管理，优选地借助于改变的运行特性曲线来保持或增加具有至少更低的——或可变波动的——密度的所在地处的风能设备中的年发电量。

为了补偿在低密度下在所提及的桨距特性曲线的最小值处可供使用的风功率，改进方案尤其提出，至少在风能设备的所在地处的与标准密度——或通常所在地大气的参考密度——相比较低的密度下，以较高的额定转速运行设备。为了充分利用在低密度下在最小值处可供使用的风功率，改进方案尤其提出，以更高的额定转速运行设备。

为此，改进方案基于如下考虑，即可以根据对于风能设备相关的空气密度来调整运行管理。根据改进方案的构思，这应引起选择转子的被调整的转速，以用于产生发电机的优选地优化的要输出的电功率。这意味着，在对于风能设备相关的相对降低的空气密度——至少在围绕局部最小值的叶片角的范围内——的情况下，被调整的额定转速相对于涉及标准大气的标准密度的或通常涉及所在地大气的参考密度的(额定)转速提升。

通常，在改进方案的范围内，原则上对于空气密度是相对于参考密度降低或提升的空气密度的情况，在具有叶片角α<或α>的密度ρ<与密度ρ>之间的参考密度ρ0周围的范围内，经修正的转速可以是相对于对于所在地大气的转速提升的转速。

在改进方案的范围内，尤其对于空气密度是相对于标准密度降低或提升的空气密度的情况，在具有叶片角α<或α>的密度ρ<与密度ρ>之间的标准密度周围的范围内，经修正的转速可以是相对于对于标准大气的转速提升的转速。

因此，在改进方案的范围内，可以在使用对于风能设备相关的降低的空气密度的情况下，根据空气温度和/或空气密度提升风能设备的转子的转速。为此，可以按照根据本发明的桨距特性曲线来开环控制和/或闭环控制风能设备。例如根据年发电量(annualenergy production–AEP)，例如可以有利地提升功率、尤其额定功率，或者可以确保被保证的要输出的功率。

即可以在设定发电机的情况下、在设定励磁电流、优选地发电机转动件的励磁电流的情况下、在设定一个或多个转子叶片和/或转子叶片处的一个或多个流动元件的情况下、在设定风能设备的吊舱的方位角位置的情况下设定风能设备，以整体上用于产生待输出的功率。

整体上在改进方案的范围内，已经证实为有利的是，在预设待输出的电功率和空气密度的情况下，根据本发明的构思，根据桨距特性曲线借助于转子处的部件的叶片角、尤其转子叶片的叶片角的操控来影响和/或设定转速。

优选地提出，在与空气密度有关的桨距特性曲线上，叶片角从所在地大气的参考密度、尤其标准大气的标准密度开始随着空气密度减小和增大而升高。

优选地提出，桨距特性曲线的最小值是在数学意义上的局部最小值，尤其在局部最小值处，与相对于标准大气略微提升的空气密度(ρ>)的第一叶片角(α>(ρ>)相比，并且与相对于标准大气略微降低的空气密度(ρ<)的第二叶片角(α<(ρ<)相比，叶片角(α(ρ0))是最小的。

优选地，最小值可以是在数学意义上的全局最小值，其中在全局最小值处，叶片角(α(ρ0))是整个桨距特性曲线(Kα)的绝对最小叶片角。

优选地提出，

-空气密度是风能设备的位置处的当前的空气密度、尤其是瞬时地或以间隔重复地调整的空气密度，所在地处的经调整的空气密度优选地瞬时地或以预确定的间隔重复地被测量。优选地提出，空气密度是风能设备的所在地处的当前的空气密度，其中根据与空气密度有关的桨距特性曲线动态地调整叶片角的设定。

也可以有利地提出，空气密度是与所在地相关的通常为主要的空气密度、尤其是对于所在地作为决定性的、可变但固定预设的空气密度，所述空气密度一次或重复地被确定，优选地预设为所在地处的平均空气密度。空气密度优选地是与所在地相关的通常为主要的空气密度，其中根据与空气密度有关的桨距特性曲线静态地调整叶片角的设定。

优选地提出，桨距特性曲线是特性曲线族的如下部分，在所述特性曲线族中，为了考虑不同的空气密度，保存有对应于不同的参考密度(ρ0)的多个桨距特性曲线，并且根据检测到的空气密度，从所保存的桨距特性曲线中选择桨距特性曲线并且将其用于设定叶片角。

也可以提出，在对应于参考密度的桨距特性曲线中，为了考虑不同的空气密度，根据检测到的空气密度来缩放所保存的桨距特性曲线，尤其以由检测到的空气密度与参考密度(ρ0)构成的比的缩放因数来缩放所保存的桨距特性曲线，并且将其用于设定叶片角。

有利地，也可行的是，在对应于参考密度的桨距特性曲线中，为了考虑不同的空气密度，作为输出功率和/或转矩和/或转子转速的函数以及根据空气密度指定叶片角的桨距特性曲线根据检测到的当前的或主要的空气密度指定并且用于设定叶片角。

优选地提出，叶片角的最小值的变化曲线随着输出功率而改变。在图7中示出所述特别优选的关系的原理性图解说明的示图。其中尤其可看出，优选地，

-叶片角的最小值的变化曲线在较高功率(P1)下比在较低功率(P3)下表现更平坦，和/或

-下降的叶片角的桨距特性曲线在提升的空气密度(ρ>)与降低的空气密度(ρ<)之间的最小值周围的范围在较高功率(P1)下大于在较低功率(P3)下的范围。

优选地提出，桨距特性曲线指定用于部分负载运行的待设定的叶片角和/或用于从部分负载运行到额定负载运行的过渡的待设定的叶片角，其中在部分负载运行中风弱到使得风能设备还不能以其最大输出功率运行。

现在在下文中根据附图描述本发明的实施方式。所述附图不一定符合比例地示出实施方式，而是以示意性和/或略微变形的形式实施用于阐述的附图。关于可以从附图中直接看到的教导的补充，参考相关的现有技术。在此应考虑，在不脱离本发明的一般构思的情况下，可以进行涉及实施方式的形式和细节的各种修改和改变。在说明书、附图以及权利要求中公开的本发明的特征可以不仅单独地而且以任意地组合对于本发明的改进方案是基本的。此外，由在说明书、附图和/或权利要求中公开的特征中的至少两个特征构成的所有组合落入本发明的范围内。本发明的一般构思不限于下文中所示出和描述的优选的实施方式的精确形式或细节，或也不限于与在权利要求中所要求保护的主题相比会受到限制的主题。在说明的确定尺寸范围中，也应将处于所提及的极限内的值公开为极限值，并且可以任意使用和要求保护。为了简单起见，在下文中将相同的附图标记用于相同的或相似的部件或具有相同的或相似的功能的部件。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节从优选的实施方式的以下描述中以及根据附图得出；附图示出：

图1示出风能设备的优选的实施方式；

图2示出根据本发明的构思的桨距特性曲线(叶片角(桨距角)与功率之间的关系)的一个方面的优选的实施方式，其中桨距特性曲线在根据空气密度的恒定功率下，在参考密度ρ0下——所述参考密度当前应对应于标准大气的标准密度ρ_norm，但通常参考密度ρ0可以作为“Cold Climate”空气密度(即例如具有ρ>＝1.3kg/m³的参考密度ρ0)——具有在此全局最小值(α0)；

图3示出在标准密度下与现有技术的桨距特性曲线相比，根据本发明的构思的两个示例性示出的桨距特性曲线作为叶片角(桨距角)与功率之间的典型关系；

图4示出在不同的密度下根据本发明的构思的三个示例性示出的桨距特性曲线作为叶片角(桨距角)与功率之间的典型关系；

图5示出在考虑如下方面的情况下，包括多个桨距特性曲线的桨距特性曲线族的优选的实施方式：桨距特性曲线(叶片角(桨距角)与功率之间的关系)根据空气密度在参考密度ρ0下——所述参考密度当前应对应于标准大气的标准密度ρ_norm，但通常参考密度ρ0可以作为“Cold Climate”空气密度(即例如具有ρ>＝1.3kg/m³的参考密度ρ0)——具有在此全局最小值(α0)；

图6在示出根据本发明的构思的根据桨距特性曲线的在较小密度下的减小的塔间隙和也在较大密度下的基本上恒定的低的塔间隙的情况下，示出象征性地和示例性地示出的塔间隙(TF)的比较；

图7示出对于不同功率的一组桨距特性曲线，其中最小值越明显，功率越低；

图8以简化的结构示出开环控制和闭环控制装置的优选的实施方式，所述开环控制和闭环控制装置用于根据输出功率——以及可能的转速——和检测到的空气密度在部分负载运行直至额定负载中执行叶片角的设定。

具体实施方式

作为示例，图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100的优选的实施方式。在吊舱104处设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的转子106。在运行时，转子106通过风置于旋转运动中，并且由此驱动吊舱104中的发电机。

当前，图1的风能设备或风电厂的每个风能设备或风电厂也配备有用于开环控制和/或闭环控制的装置200(开环控制和闭环控制装置200)作为具有一个或多个调节器220的运行管理的一部分，所述一个或多个调节器当前包括至少一个功率调节器222。所述调节器220根据桨距特性曲线控制具有对应的执行机构或调控元件301、302、303的调控装置300，所述调控装置例如用于一个或多个转子叶片的叶片角和/或吊舱中的发电机的励磁电流和/或风能设备100的吊舱的方位角。

根据图1，开环控制和闭环控制装置200经由信号线路231从传感机构230获得测量信息，所述测量信息转到开环控制和闭环控制装置200的测量模块210处。用于风能设备的传感机构230检测相关的周围环境变量，所述周围环境变量至少包括对于风能设备相关的空气密度和/或温度和/或用于空气密度的空气压力和空气温度，作为风能设备的周围环境中的其他相关的周围环境变量，以便从中确定空气密度。

因此，传感机构230和/或所述测量模块210具有至少一个用于确定密度的第一确定单元211和用于确定风能设备的转子的转速n的第二确定单元212。参数诸如叶片弯曲也可以例如借助于应变片来测量，和/或风能设备的塔间隙可以借助于距离传感器经由塔外壁与转子叶片的叶片尖端之间的距离来测量。

此外，作为调节器220的一部分，当前除了功率调节器222之外，设有预控制单元221——例如具有一个或多个所保存的运行特性曲线的计算单元等，所述运行特性曲线至少包括具有与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ的与空气密度有关的桨距特性曲线族Kα(P,n,ρ)，所述预控制单元尤其能够对应于密度调整的运行特性曲线族Kα(P,n,ρ)为当前功率调节器222预设调整的转速n。

如此调整的和/或修正的转速n'——即根据预控制单元221从转速n调整为转速n'的转速n'，所述转速n'可以附加地或替选地根据密度调整的功率P被修正——可以经由另一信号线路232提供给风能设备100及其对应的调控装置300。

如开始所提及，当前在假定标准大气的情况下执行用于WEA的功率计算。在此使用的用于参考密度ρ0的标准密度ρ_norm为ρ_norm＝1.225kg/m³。但是无论如何，在大的高度中的所在地处和/或在具有较低的平均温度的“Cold Climate”条件下，所述假定定量而言不再正确，并且基于所使用的标准密度ρ_norm，一定会出现与设计条件多达约30％的密度的偏差。与现有技术不同，提出桨距特性曲线是与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ，其中桨距特性曲线在标准大气的标准密度下根据空气密度具有局部最小值α0。基本上提出，在所在地大气的适用于所在地的参考密度ρ0的范围内——所述参考密度当前在所述实施例中应对应于标准大气的标准密度ρ_norm，但通常参考密度ρ0可以作为“Cold Climate”空气密度(即例如具有ρ>＝1.3kg/m³的参考密度ρ0)——设有最小值。

在所述实施例中，图2示出根据本发明的构思与空气密度有关的、当前作为关于图1所提及的特性曲线族Kα(P,n,ρ)的一部分的桨距特性曲线Kα,ρ，所述特性曲线族还根据图5来阐述。作为输出功率和/或转矩和/或转子转速的函数指定叶片角的特性曲线族Kα(P,n,ρ)主要用于在预设所述空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ的情况下设定图1的风能设备100的叶片角α。为了考虑特点为寒冷气候的所在地处的不同空气密度，风能设备100在其运行管理中已经准确地实现了所述与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ。桨距特性曲线Kα,ρ当前示例性地被指定为特性曲线族Kα(P,n,ρ)的一部分，此外其细节在图3和图4中阐述。

所在地大气的参考密度ρ0优选地是标准大气的标准密度，或者在特点为寒冷气候的所在地处，参考密度ρ0可以是“Cold Climate”空气密度。

通常，风能设备、尤其风能设备的叶片的设计针对所在地处的确定的空气密度、即参考密度进行。然而，主要由于温度波动，所在地也经历在参考密度周围的空气密度的带宽。参考密度例如可以是所在地处的平均空气密度。因此，在所在地大气的参考密度下，最小值的范围包括与参考密度偏离+/-10％、尤其+/-5％的空气密度。如果所在地处的参考密度是标准大气的标准密度，则在标准大气的标准密度下，最小值的范围包括与标准密度偏离+/-10％、尤其+/-5％的空气密度。

在实施例的当前情况下，为了简单起见假定：参考密度ρ0对应于用于“ColdClimate”条件的密度。即在风能设备的特点为寒冷气候的所在地中。例如，所述所在地的年平均温度低于0℃、尤其低于-15℃和/或所述所在地的年最低温度处于低于-15℃、尤其低于-20℃的范围内。例如在风能设备的特点为寒冷气候的所在地处，可以存在具有ρ>＝1.3kg/m³的参考密度ρ0。

如下文中对于标准密度ρ_norm所阐述，实施方案通常适用于参考密度ρ0，其中在图中参照参考密度ρ0。

首先参照图2，所述图2示出在恒定功率、在此额定功率下绘制的与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ，所述桨距特性曲线具有根据空气密度的变化曲线，所述变化曲线在参考密度ρ0下(在此示例性地对应于标准大气的标准密度)具有局部最小值α0。就此而言，与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ示出根据空气密度ρ的在部分负载运行中相关的叶片角α，所述叶片角也在从部分负载运行到额定负载运行的过渡中是相关的，并且其中α0示出在标准密度ρ_norm即1.225kg/m³下的所述叶片角α，或者例如示出通常在风能设备的特点为寒冷气候的所在地处在参考密度ρ0下(例如具有例如ρ>＝1.3kg/m³的“Cold Climate”空气密度)的所述叶片角。

叶片角的局部最小值的特征在于，在参考密度ρ0下，与第一叶片角α>相比而且与第二叶片角α<相比，叶片角α0是最小的。在此，叶片角α>是在额定功率P_N下的如下叶片角α，所述叶片角在相对于标准大气略微提升的空气密度ρ>下设置，并且第二叶片角α<是在额定功率P_N下在相对于标准大气略微降低的空气密度ρ<下设置的叶片角。

当前示例性示出第一叶片角α>和第二叶片角α<。即具体地，与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ的延伸得出，使得在额定功率P_N下，叶片角α在与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ上从参考密度ρ0开始不仅随着减小的空气密度ρ升高，而且随着增加的空气密度ρ升高，即不仅在较小密度(与参考密度ρ0相比)的方向上从α0升高到α<，而且在较高密度(与参考密度ρ0相比)的方向上从α0升高到α>。

这至少对于较小的空气密度ρ<和较大的空气密度ρ>而言情况如此。在变化的空气密度ρ<、ρ>的情况下，当前认为与标准密度ρ_norm(或例如通常与在风能设备的特点为寒冷气候的所在地处的参考密度ρ0(例如具有ρ>＝1.3kg/m³))偏离的空气密度在5％、直至可能10％的范围内。

与虚线所示的根据现有技术的桨距特性曲线Kα相比，当前在图2中以实线示出与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ。在标准密度的范围内以及标准密度外的其余范围内，常见的桨距特性曲线Kα的变化曲线连续单调下降。即根据现有技术，叶片角α_StdT既不在参考密度ρ0(例如标准密度ρ_norm或“Cold Climate”空气密度、例如ρ>＝1.3kg/m³或类似值)下也不在ρ<与ρ>之间的范围内具有局部最小值的变化曲线，而是朝向较大的空气密度继续单调下降。

风能设备的特点为寒冷气候的所在地在上文应理解为所在地：所述所在地在所述实施例中具有0℃的年平均温度和/或所述所在地的年最低温度处于低于-20°的范围内，并且具有例如具有ρ>＝1.3kg/m³的“Cold Climate”空气密度。现在，本发明已经认识到，在这种所在地中，根据现有技术常用的空气密度的相关性作为连续严格单调下降的函数——具有可能从参考密度、尤其标准密度开始在密度上升时恒定不变的叶片角——关于以下问题是不利的。

一方面，在空气密度低于参考密度ρ0时，即在空气密度ρ<下，对于转子叶片处的流动分离的趋势由于减小的空气密度而升高。根据本发明的构思，从α0开始，对于低空气密度ρ<，这利用提升的叶片角来抵消。

此外，根据本发明的构思认识到，对于高于参考密度ρ0的空气密度，随着增大的空气密度ρ>，转子叶片处的负载升高，并且就此而言，由于升高的空气密度，存在过度的叶片弯曲的危险，可能朝向小的塔间隙。根据本发明的构思，这利用从参考密度ρ0开始升高的叶片角来抵消。即根据与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ，随着从在(ρ0,α0)处的局部最小值开始增加的空气密度，以随后至少直至值ρ>增大的叶片角来设定转子叶片。即转子叶片由于首先从局部最小值开始增大的叶片角在α0与α>之间在顺桨位置的方向上运动。

所述根据本发明的构思提出的根据与空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ的特性借此一方面抵消了在空气密度高于参考密度ρ0时在转子叶片处的流动分离，并且另一方面，对于高于参考密度ρ0的空气密度限制了负载，并且确保了足够的塔间隙。

此外，本发明的构思已经认识到，在具有在(ρ0,α0)处的局部最小值的空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ的这种措施中，在如此相对于现有技术的叶片角α_StdT减小的叶片角α0中存在发电量收益的可能性。

在图2中给出在6.5m/s的平均风速下的计算示例。由于所述措施，所述计算示例根据比较计算将引起1.67％的年度发电量收益。

借此，本发明的构思在根据需求的另外的调整的过程中不仅提供了空气动力学的优点和转子叶片处的负载减小，而且还提供了在通过如下方式的所述组合中达到的发电量收益：通过在参考密度ρ0(即通常在风能设备的特点为寒冷气候的所在地处的例如具有ρ>＝1.3kg/m³的密度，或例如标准密度ρ_norm)的范围内，在(α0,ρ0)处具有局部最小值的与空气密度有关的桨距特性曲线。

当前在这种桨距特性曲线Kα,ρ的范围内阐述了本发明的构思，所述桨距特性曲线可以保持为用于控制根据图1的风能设备的有关的特性曲线。仍然可行的是，将所述桨距特性曲线预设为预控制，以便随后基于所述桨距特性曲线继续开环控制和/或继续闭环控制风能设备。

为此，图3例如对于用于叶片角调整的方法示出桨距特性曲线Kα的变化曲线。在此，随着功率P从低于P_N的部分载荷范围增大到P_N处以及高于P_N的额定载荷范围发生预倾斜(Vorpitchen)。在此，部分负载范围的最小叶片角αT从确定的功率P(αT)或P(αT′)提升，直至在此示例性假定的参考密度ρ0下在额定载荷P_N下的叶片角α_StdT。

在这里的此实施方式中，根据本发明的构思提出——如通过图3中的箭头所表示——叶片角α_StdT的值降低到在参考密度ρ0(即通常在风能设备的特点为寒冷气候的所在地处例如具有ρ>＝1.3kg/m³的密度，或例如标准密度ρ_norm，如这开始在图2中已经阐述)下的值α0。

此外，相同的情况可以设置在ρ<与ρ>之间的范围内，即在参考密度ρ0周围的范围内具有叶片角α<和α>。从αT或另一角αT'开始也可以进行预倾斜过程，使得功率的阈值改变为提升的阈值P(αT')(α_1的变化曲线)，抑或从第一阈值P(αT)开始的斜率更低(变化曲线α_2)；所述措施的组合同样是可行的。

桨距特性曲线的变化曲线在两种情况下结束，即作为风能设备的功率P的函数调整叶片角，使得在额定负载P_N下，在标准密度下的当前的叶片角α0由于空气密度有关的桨距特性曲线的局部最小值而低于现有技术的叶片角α_StdT。

为此，图4示出根据本发明的构思的特性曲线组Kα,ρ，即如图2中的叶片角α的变化曲线，以及例如在与参考密度ρ0(例如在风能设备的特点为寒冷气候的所在地处的例如具有ρ>＝1.3kg/m³的密度，或例如标准密度ρ_norm)偏离的密度下、即较小的密度ρ<和较大的密度ρ>下的叶片角α<和α>的变化曲线，以用于表明在功率P低于额定功率P_N时部分负载范围中的预倾斜。因此，变化曲线α再次根据功率给出了已经在图3中说明的变化曲线。对应地，这适用于在图2中表示的部位α<和α>处的变化曲线α<和α>。

图5以概览图示意性地示出遵循本发明的构思的原理的特性曲线族Kα(P,n,ρ)，其中在图2中示出的桨距特性曲线Kα,ρ是所述特性曲线族Kα(P,n,ρ)的一部分。在图5中绘制的在恒定的额定功率P_N下的特性曲线Kα,ρ对应于在图2中示出的桨距特性曲线Kα,ρ。

此外，特性曲线族Kα(P,n,ρ)通常包括不仅对于参考密度ρ0的特性曲线Kα,ρ，而且对于具有对应的变化曲线α<的低于所述参考密度的密度ρ<和具有对应的变化曲线α>的高于所述参考密度的密度ρ>的特性曲线Kα,ρ，所述特性曲线在图5中示例性地针对特征线族Kα(P,n,ρ)绘制。

就此而言，在特性曲线族的阴影范围内所有可看到的在较小的密度ρ<与较大的密度ρ>之间的情况中，就此而言一般可以和/或在从部分负载范围过渡到额定负载范围时可以提升额定转速，这可以在额定负载情况下和在高于所述额定负载的范围内有益于发电量升高。在低于参考密度ρ0的范围内额定转速的提高原则上是有利的。

然而，在考虑到与塔间隙TF相关的边界条件的情况下，证明额定转速的提高在高于参考密度ρ0的范围内也是可行的。因此，额定转速的提高应在特性曲线族的阴影范围内——即一般在与空气密度有关的桨距特性曲线上的降低的叶片角的范围内(当前至少在具有对应的值α<和α>的ρ<与ρ>之间)——尤其在额定转速原则上是根据增加的密度的严格单调下降的函数的条件下进行。

原则上可行的是，以各种方式处理这种特性曲线族。为此，风能设备的运行管理优选地具有转速运行特性曲线/功率运行特性曲线(n/P运行特性曲线)，其中在第一个示例性情况下，借助于在此示出的空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ，根据对于风能设备相关的空气密度来预设所调整的运行特性曲线。然后，用于产生待输出的功率的风能设备基于调整的转速运行特性曲线/功率运行特性曲线(n/P运行特性曲线)在运行管理中运行。在一个变型方案中，用于产生功率的风能设备可以基于调整的转速运行特性曲线/转矩运行特性曲线在运行管理中运行。

在两种变型方案中，可以在运行管理中预设所预设的、经调整的当前转速n，并且随后借助于开环控制和/或闭环控制来设定。尤其根据本发明的构思，在此所示的在ρ<、ρ>或α<与α>之间的范围内的转速的提高至少适合于部分负载运行和到额定负载的过渡。

在改变的方法途径中，可以在第二个示例性情况下首先可以在考虑预确定的参考密度ρ0、即例如在风能设备的特点为寒冷气候的所在地处的例如具有ρ>＝1.3kg/m³的密度，或例如标准大气的标准密度ρ_norm的情况下设定或预设转子的转速，并且随后可以在考虑对于风能设备相关的空气密度的情况下、可能在也考虑空气温度的情况下预设调整的转速。这可以根据桨距特性曲线(功率与叶片角之间的关系，或者在一个变型方案中转矩与叶片角之间的关系)Kα,ρ的空气密度相关性的方面进行；即针对可能动态变化的空气密度ρ<或ρ>进行。

因此，在两个所提及的第一种情况和第二种情况下，可以在预设调整的转速n'的情况下设定风能设备，以用于产生待输出的功率(在一个变型方案中为转矩)，所述转速n'至少在叶片角的最小值的范围内可以从n调整即提高到n'。风能设备可以在部分负载范围和/或额定负载范围内进行转速调节。

这可以尤其在额定负载范围内进行，可能附加地或替选地在设定发电机的情况下、在设定励磁电流、优选地发动机转动件的励磁电流的情况下发生。这可以附加地或替选地在对应于所阐述的用于设定叶片角的桨距特性曲线的预设，在设定一个或多个转子叶片的情况下发生。附加地或替选地，也可以为风能设备的吊舱设定方位角。

参照图8，进一步在特别优选的实施方式的范围中，以一组空气密度有关的桨距特性曲线Kα,ρ为例示例性具体阐述风能设备的开环控制和闭环控制，所述桨距特性曲线在图8中表示为K1、K2、K3，并且应视为特征线族Kα(P,n,ρ)的一部分。

根据本发明的构思，图6在比较的范围内示出象征性地和示例性地示出的塔间隙TF。在现有技术中，塔间隙TF在值ρ>的情况下通常不是恒定的，而是进一步地减小，并且理想情况下在ρ＝1.3kg/m³的相当高的密度值的情况下才达到其最小值。因此，与用于图6所示的现有技术的桨距特性曲线α_StdT的塔间隙相比，根据本发明的构思，至少已经在较小的密度下可以设定减小的塔间隙；这可以在密度ρ<的情况下通过向下的箭头辨别。塔间隙TF的变化曲线在参考密度ρ0——尤其标准密度ρ_norm或可能风能设备的特点为寒冷气候的所在地处的例如具有ρ>＝1.3kg/m³的密度——之前不久随着增大的密度通入到在此约低于参考密度ρ0的5％的范围内、通入到更小值、优选地最小值中。在所述实施方式中，按照根据本发明的构思的桨距特性曲线，塔间隙TF的变化曲线也在较大的密度ρ>的情况下引起基本上恒定的低的塔间隙。因此，优选地进一步提出，与空气密度有关的桨距特性曲线延伸成，使得在预设至少一个桨距特性曲线的情况下设定叶片角时，至少对于提高的空气密度保持最小塔间隙。借助于本发明的构思的措施，可以附加地或替选地也对于降低的空气密度降低塔间隙。

图7示出用于不同的功率P1、P2和P3的一组桨距特性曲线。图7应以示意形式根据用于不同的功率P1、P2和P3的三个所示的桨距特性曲线的原理性变化曲线阐明，在叶片角降低的范围内，对于额定转速提高和/或额定功率提高的潜能越大。这尤其可以在有利地平衡的程度上提出，优选地使得额定转速和/或额定功率在相同的程度上提高。无论如何，这对于低于参考密度ρ0的密度可行。在低于参考密度ρ0的范围内的额定转速的提高原则上是有利的。

如上所述，在考虑到涉及塔间隙TF的边界条件的情况下，证实额定转速的提高在高于参考密度ρ0的范围内也是可行的。因此，额定转速的提高应在叶片角降低到上部严格单调下降的桨距特性曲线之下的图5的阴影区域中——即一般在与空气密度有关的桨距特性曲线上的降低的叶片角的范围内——在额定转速原则上是根据增大的密度的严格单调下降的函数的条件下进行。

已经证实，叶片角的最小值α_0越明显，功率越低——所述功率从P3增加至P1。可看出，用于平均功率P2的桨距特性曲线的密度有关的变化曲线大致对应于图2中的桨距特性曲线的密度有关的变化曲线。

因此，进一步提出，在较低功率P3下，最小值周围的叶片角的变化曲线M比在较高功率P1下在最小值周围的叶片角的变化曲线m更明显。换言之，在较高功率P1下在最小值周围的叶片角的变化曲线m(尤其在较高功率P1下在虚线绘制的严格单调下降的函数之下叶片角降低的幅值m)比在较低功率P3下在最小值周围的叶片角的变化曲线M(尤其在较低功率P3下在以虚线绘制的严格单调下降的函数之下叶片角降低的幅值M)更平坦。

附加地或替选地可以提出——如在图7中同样可看出——在较低功率P3下在最小值周围在提升的空气密度ρ>与降低的空气密度ρ<之间的降低的叶片角的桨距特性曲线的范围b小于在较高功率P1下的范围B。换言之，在较高功率P1下，在以虚线绘制的严格单调下降的函数下在最小值周围在提升的空气密度ρ>与降低的空气密度ρ<之间的降低的叶片角的桨距特性曲线的密度范围B与在较低功率P3下在以虚线绘制的严格单调下降的函数下在最小值周围在提升的空气密度ρ>与降低的空气密度ρ<之间的降低的叶片角的桨距特性曲线的密度范围b相比在更大的密度间隔上延伸。已经证实，在所在地大气的适用于所在地的参考密度ρ0的范围内，可以在桨距特性曲线的降低的桨距角的最小值α0周围的范围内(即在以虚线绘制的严格单调下降的函数下在最小值周围在提升的空气密度ρ>与降低的空气密度ρ<之间的降低的叶片角的范围内，如通过上面所阐述的值(B,m)或(b,M)示例性说明的所述范围)基本上借助于上面所阐述的条件以提高的转速运行风能设备。

图8的调节结构图解说明地示出发电机401和转子叶片403，所述转子叶片可以经由桨距驱动器405来调节。所述元件仅象征性地示出，并且例如可以设有分别具有桨距驱动器405的三个转子叶片403，所述转子叶片通过风驱动并且由此驱动发电机401。

在此，发电机401设置为他励同步发电机，并且在所述结构中经由控制励磁电流I_E的电流调节器407操控。由此进行功率控制，所述功率控制在此仅简化地表示并且也可以不同地进行。也可以设有其他发电机。在此，电流调节器407也代表其他功率控制装置。所述电流调节器获得作为预设的功率值P，并且所述功率值P从保存在特性曲线块409中的转速功率特性曲线中得出。特性曲线块409基于转速功率特性曲线根据转子叶片403所属的转子的转速n输出功率值P。

功率值P不仅包含在电流调节器中，以便经由电流调节器407控制发电机401的功率，而且功率值P还用作用于叶片角预设单元411的输入变量。叶片预设单元411根据功率P确定待设定的叶片角α。在此，风能设备的输出功率、即由风能设备实际输出的功率优选地用作输入变量。

但是，为了简化起见以及为了图解说明，在此输出功率可以与特性曲线块409输出的功率P视为等同。输出功率以高动态设定，使得用于图解说明的所述简化是被允许的，并且使得在一方面为功率设定与另一方面为叶片角调节之间不会出现振动问题或振动危险。

叶片预设单元411具有多个特征线块，其中在此示例性地示出三个特征线块K1、K2和K3；即空气密度有关的一组桨距特性曲线Kα,ρ，所述桨距特性曲线以下表示为K1、K2、K3，并且应看作为特性曲线族Kα(P,n,ρ)的一部分。因此，所述特性曲线块中的每个特性曲线块具有功率有关的叶片角特性曲线，所述叶片角特性曲线一起形成特性曲线组或准备以供选择。现在提出，根据空气密度ρ选择特性曲线块中的一个特性曲线块和从而选择特性曲线中的一个特性曲线。为此，例如可以通过测量单元413来检测空气密度ρ。

因此，叶片角α可以根据输出功率P和空气密度ρ来设定。为此，输出功率P形成用于叶片预设单元411的输入变量，并且通过与空气密度ρ有关地选择调整的特性曲线的方式包含空气密度ρ。如此确定的叶片角α于是被提供到桨距驱动器405上，以便对应地设定相应的转子叶片403。

因此，根据本发明的构思，已经提出一种解决方案以便对现有技术进行改进，其中转子叶片设计成使得所述转子叶片在ρ_norm＝1.225kg/m³的标准空气密度下并且主要在低于所述标准空气密度下在设备的所有运行点中可脱离地环流，并且也在提升的密度下仍然控制负载。

已经认识到，现在日益将设备规划在如下所在地处，在所述所在地处空气密度部分明显地低于标准空气密度，并且主要也高于空气密度。原则上，通过转子叶片处的有效迎角的上升，可能发生流动分离，这可能再次引起相当大的功率损失。此外已经认识到，随着减小的空气密度和转子叶片处的增大的有效迎角，愈发可能引起降低功率的流动分离。

空气密度有关的一组桨距特性曲线Kα,ρ——所述特性曲线在下文中表示为K1、K2、K3，并且应理解为特性曲线场Kα(P,n,ρ)的一部分——可以抵消这种流动分离，或无论如何减小所述流动分离或完全防止所述流动分离。通过根据桨距特性曲线Kα,ρ的转子叶片的桨距，可以有利地避免流动分离。

在此提出，使转子叶片的桨距适应于空气密度。因此提出，现在待设定的叶片角是根据输出电功率、即输出功率和空气密度的函数；即根据在参考密度ρ0——所述参考密度当前可以对应于标准大气的标准密度ρ_norm，但通常可以是参考密度ρ0——下的空气密度。参考密度ρ0尤其可以是“Cold Climate”空气密度(即例如具有ρ>＝1.3kg/m³的参考密度ρ0，其中理解，原则上示例性地选择值ρ>＝1.3kg/m³，并且也可以在标准密度ρ_norm与1.3kg/m³之间选择另外的值作为用于参考密度的“Cold Climate”空气密度)。

因此提出，叶片角的设定不仅基于输出电功率的函数。因此提出，在风能设备处——当不直接测量空气密度时——因此测量空气压力和温度和可能的空气湿度，并且从中计算空气密度，或者在一个变型方案中考虑可能的设备的设立高度，使得可以借助于所保存的函数确定相应的叶片角。

最终，通过提出使用适应于所在地的空气密度的桨距特性曲线，也可以借此实现桨距受控制的、转速可变的风能设备的年发电量的提升。

Claims (23)

1.一种用于运行风能设备的方法、尤其在具有空气密度的特点为寒冷气候的所在地处运行风能设备的方法，其中

所述风能设备具有：

-空气动力学转子，所述空气动力学转子具有其叶片角可调节的转子叶片，其中所述转子能够以可变的转子转速运行，以及

-与所述空气动力学转子耦联的发电机，其中

所述方法包括如下步骤：

-指定所述风能设备的所在地处的空气密度，

-在预设输出功率和/或转矩和/或转子转速的情况下，尤其根据输出功率和/或转矩和/或转子转速来设定可调节的转子叶片的叶片角(α)，尤其是所述可调节的转子叶片的每个叶片角(α)，

其特征在于，

-在预设至少一个桨距特性曲线(Kα,ρ)的情况下，尤其根据至少一个桨距特性曲线来进行所述叶片角的设定，所述桨距特性曲线作为所述输出功率和/或所述转矩和/或所述转子转速的函数以及根据所述空气密度指定所述叶片角，其中

-为了考虑所述风能设备的所在地处的空气密度(ρ)，所述桨距特性曲线是与所述所在地处的空气密度有关的桨距特性曲线(Kα,ρ)，在所述桨距特性曲线中，在所在地大气的、尤其所述特点为寒冷气候的所在地处的所在地大气的适用于所述所在地的参考密度(ρ0)的范围内，所述叶片角(α)根据所述所在地处的空气密度具有最小值(α0)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所在地大气的所述参考密度(ρ0)是标准大气的标准密度或特点为寒冷气候的所在地的“Cold Climate”空气密度，优选地密度(ρ)高于1.3kg/m³或在1.3kg/m³处的参考密度(ρ0)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述风能设备的特点为寒冷气候的所在地是如下所在地：

-所述所在地的年平均温度低于0℃、尤其低于-15℃，和/或

-所述所在地的年最低温度处于低于-15℃、尤其低于-20℃的范围内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述桨距特性曲线的最小值是在数学意义上的局部最小值，尤其在所述局部最小值的情况下，与在相对于所述参考密度略微提高的空气密度(ρ>)下的第一叶片角(α>(ρ>)相比，并且与在相对于所述参考密度略微降低的空气密度(ρ<)下的第二叶片角(α<(ρ<)相比，所述叶片角(α0，α(ρ0))是最小的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述最小值是数学意义上的全局最小值，其中在所述全局最小值的情况下，所述叶片角(α0,α(ρ0))是整个所述桨距特性曲线(Kα,ρ)的绝对最小叶片角。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述所在地大气的参考密度下，所述最小值(α0)的范围包括与所述参考密度偏离+/-10％、尤其+/-5％的空气密度。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述叶片角在所述与空气密度有关的桨距特性曲线上从所述所在地大气的参考密度开始随着空气密度减小和空气密度增加而上升。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-检测对于所述风能设备相关的周围环境变量，所述周围环境变量至少包括对于所述风能设备相关的空气密度和/或温度，和/或

-为了检测所述空气密度，测量作为所述风能设备的周围环境中的相关的周围环境变量的空气压力、空气温度和可选地空气湿度，并且从中确定所述相关的空气密度。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述空气密度是所述风能设备的所在地处的当前空气密度、尤其是瞬时地或在间隔中重复地调整的空气密度，所述所在地处的调整的空气密度优选地瞬时地或在预确定的间隔中重复地被测量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

-所述空气密度是所述风能设备的所在地处的当前空气密度，其中所述叶片角的设定根据所述与空气密度有关的桨距特性曲线(Kα,ρ)动态地调整。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述空气密度是所在地相关的通常为主要的空气密度、尤其是对于所述所在地作为决定性的、可变但固定预设的空气密度，所述空气密度一次或重复地被确定，优选地被预设为所述所在地处的平均空气密度。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

-所述空气密度是所述所在地相关的通常为主要的空气密度，其中所述叶片角的设定根据所述与所述空气密度有关的桨距特性曲线(Kα,ρ)静态地调整。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述桨距特性曲线是特性曲线族的一部分，在所述特性曲线族中，为了考虑不同的空气密度，保存有对应于不同的参考密度(ρ0)的多个桨距特性曲线，并且从保存的桨距特性曲线中根据检测到的空气密度选择对应的桨距特性曲线并且用于设定所述叶片角。

14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在对应于所述参考密度(ρ0)的所述桨距特性曲线中，为了考虑不同的空气密度，根据检测到的空气密度来缩放所保存的桨距特性曲线，并且将所述保存的桨距特性曲线用于设定所述叶片角，尤其其中根据检测到的空气密度以缩放因数来缩放所保存的桨距特性曲线，所述缩放因数借助于由检测到的空气密度与所述参考密度(ρ0)构成的比形成。

15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在对应于所述参考密度(ρ0)的所述桨距特性曲线中，为了考虑不同的空气密度，所述桨距特性曲线(Kα,ρ)根据检测到的当前的或主要的空气密度指定叶片角，所述叶片角用于设定所述叶片角，尤其其中所述桨距特性曲线作为所述输出功率和/或所述转矩和/或所述转子转速的函数以及根据所述空气密度指定所述叶片角。

16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-确定在所在地大气的所述参考密度下的塔间隙和/或叶片弯曲，尤其确定在所述风能设备的转子叶片经过塔时叶片尖端的范围内的水平间隔和/或所述转子叶片到塔的叶片弯曲，其中

-所述叶片角的最小值确定成，使得所述塔间隙是最小的。

17.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

所述与空气密度有关的桨距特性曲线(Kα,ρ)延伸成，使得在设定所述叶片角时，

-在至少预设所述桨距特性曲线的情况下至少针对提高的空气密度(ρ>)将最小塔间隙尽可能地保持或恒定不变，和/或

-与根据所述空气密度针对相同提高的或降低的空气密度线性减小最小塔间隙相比，针对降低的空气密度(ρ<)降低最小塔间隙。

18.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在所在地大气的适用于所在地的参考密度(ρ0)的范围内、尤其在相对于所述所在地大气提高的空气密度(ρ>)的第一叶片角(α>(ρ>)与相对于所述所在地大气降低的空气密度(ρ<)的第二叶片角(α<(ρ<)之间的范围内，优选地在所在地大气的适用于所在地的参考密度(ρ0)的范围内，降低叶片角和/或提升额定运行中的额定转速(n_N)，所述范围包括与所述参考密度偏离+/-10％、尤其+/-5％的空气密度。

19.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在桨距特性曲线中，所述叶片角的最小值的变化曲线随着所述输出功率(P1，P2，P3)而改变，尤其

-在较高功率(P1)下所述最小值周围的叶片角的变化曲线(m)比在较低功率(P3)下所述最小值周围的叶片角的变化曲线(M)更平坦，

和/或

-在较高功率(P1)下在所述最小值周围在提高的空气密度(ρ>)与降低的空气密度(ρ<)之间的降低的叶片角的桨距特性曲线的范围(B)大于在较低功率(P3)下在所述最小值周围在提高的空气密度(ρ>)与降低的空气密度(ρ<)之间的降低的叶片角的桨距特性曲线的范围(b)。

20.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所在地大气的适用于所述所在地的参考密度(ρ0)的范围内，所述风能设备在所述桨距特性曲线的降低的叶片角的最小值(α0)周围的范围内以提高的转速运行。

21.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-所述桨距特性曲线指定用于部分负载运行的待设定的叶片角和/或用于从部分负载运行过渡到额定负载运行的待设定的叶片角，尤其其中在所述部分负载运行中风弱到使得所述风能设备还不能以其最大输出功率运行。

22.一种用于开环控制和/或闭环控制风能设备的装置，所述风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有其叶片角可调节的转子叶片，其中所述转子能够以可变的转子转速运行，并且所述风能设备具有与所述空气动力学转子耦联的发电机，其中所述装置具有运行管理，所述运行管理构成用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中

-所述运行管理构成用于指定所述风能设备的所在地处的空气密度，并且根据输出功率和/或转矩和/或转子转速来设定可调节的转子叶片的叶片角(α)、尤其所述可调节的转子叶片的每个叶片角(α)，

其特征在于，

-所述运行管理具有桨距特性曲线(Kα)，并且所述叶片角的设定在至少预设所述桨距特性曲线(Kα)的情况下、尤其至少根据所述桨距特性曲线来进行，所述桨距特性曲线作为所述输出功率、所述转矩和/或所述转子转速的函数以及根据所述空气密度指定所述叶片角，其中

-为了考虑所述风能设备的所在地处的空气密度(ρ)，所述桨距特性曲线是与所述所在地处的空气密度有关的桨距特性曲线(Kα,ρ)，并且在所在地大气的适用于所在地的、尤其特点为寒冷气候的所在地处的参考密度(ρ0)的范围内，所述桨距特性曲线(Kα,ρ)的叶片角(α)根据所述空气密度具有最小值(α0)。

23.一种风能设备、尤其在具有空气密度的特点为寒冷气候的所在地处的风能设备，具有：

-空气动力学转子，所述空气动力学转子具有其叶片角可调节的转子叶片，其中所述转子能够以可变的转子转速运行，以及

-与所述空气动力学转子耦联的发电机，其特征在于，设有根据权利要求21所述的用于开环控制和/或闭环控制和/或构成用于执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法的装置。

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