CN112513455B - 用于操作风力涡轮机的方法和风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作风力涡轮机(1)的方法。风力涡轮机(1)包括一个或多个风力涡轮机叶片(5)，每个风力涡轮机叶片(5)在风力涡轮机叶片(5)的铰接位置处经由铰接件(6)连接到安装在轮毂(3)上的叶片承载结构(4)，每个风力涡轮机叶片(5)由此被布置成相对于叶片承载结构(4)在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动。该方法包括以下步骤：检测进入风力涡轮机(1)周围的预定区域的空中物体，将风力涡轮机(1)的当前叶尖高度(H)与最大叶尖高度值进行比较，该最大叶尖高度值表示当前主要条件下的最大允许叶尖高度。在当前叶尖高度(H)超过最大叶尖高度值的情况下，调节风力涡轮机叶片(5)的枢转角(P)，以便将风力涡轮机(1)的叶尖高度(H)降低到低于最大叶尖高度值的值。

Description

用于操作风力涡轮机的方法和风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种用于操作风力涡轮机的方法，该风力涡轮机具有枢转地连接到叶片承载结构的一个或多个风力涡轮机叶片。根据本发明的方法响应于进入物体而导致对风力涡轮机进行叶尖高度调节。

背景技术

风力涡轮机可以竖立在各种位置，例如机场附近、鸟群飞行通道上、海上、山顶上等等。在许多位置处，可能存在叶尖高度限制。这些限制可能是永久性的，并且在这种情况下，风力涡轮机需要相对于这些限制进行设计。例如，如果风力涡轮机在机场附近竖立，则需要根据航空所设定的要求来调整风力涡轮机的叶尖高度。在其它情况下，叶尖高度限制可能是暂时的，即，可能取决于一天中的时间，或者可能由在附近环境中发生的事件来规定。例如，空中物体，例如飞机、气球、禽野生动物等，可进入风力涡轮机叶片的旋转区域。当空中物体接近风力涡轮机时，可能需要停止风力涡轮机的运转，以便确保在风力涡轮机叶片之间提供足够的空间使物体经过风力涡轮机。当物体离开风力涡轮机的区域时，风力涡轮机可重新启动。然而，通过关闭风力涡轮机，损失了功率产生，影响了风力涡轮机的整体功率产生。因此，期望提供一种即使在检测到进入的空中物体时也能够继续运转的风力涡轮机。

US4,632,637公开了一种高速顺风水平轴风力涡轮机，该风力涡轮机具有三个周向间隔开的轻质叶片，这些轻质叶片具有内支撑臂，径向向外设置的叶片节段枢转地连接到该支撑臂，以便在高风力条件或高旋转速度下顺风笔直地折叠。

发明内容

本发明的实施方式的目的是提供一种用于以这样的方式操作风力涡轮机的方法，即，在不显著降低风力涡轮机的功率产生的情况下，可以避免风力涡轮机与空中物体之间的碰撞。

本发明的另一个目的是提供一种用于操作风力涡轮机的方法，该方法允许具有大转子的风力涡轮机竖立在具有叶尖高度限制的区域中。

根据第一方面，本发明提供了一种用于操作风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括塔架、经由偏航系统安装在塔架上的至少一个机舱、以可旋转的方式安装在每个机舱上的轮毂、以及一个或多个风力涡轮机叶片，每个轮毂包括叶片承载结构，每个风力涡轮机叶片在风力涡轮机叶片的铰接位置处经由铰链连接到叶片承载结构，每个风力涡轮机叶片由此被布置成相对于叶片承载结构在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动，该方法包括以下步骤：

检测进入风力涡轮机周围的预定区域的空中物体，

将风力涡轮机的当前叶尖高度与最大叶尖高度值进行比较，最大叶尖高度值表示当前主要条件下的最大允许叶尖高度，以及

在当前叶尖高度超过最大叶尖高度值的情况下，调节风力涡轮机叶片的枢转角，以便将风力涡轮机的叶尖高度降低到低于最大叶尖高度值的值。

因此，根据第一方面，本发明提供了一种用于控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括塔架，至少一个机舱经由偏航系统安装在塔架上。风力涡轮机可以仅包括一个机舱，在这种情况下，风力涡轮机是单转子类型的。在这种情况下，机舱通常安装在塔架的顶部上。替代地，风力涡轮机可以包括两个或更多个机舱，在这种情况下，风力涡轮机是多转子类型的。在这种情况下，机舱中的至少一些可直接安装在塔架上和/或机舱中的至少一些可经由例如包括在远离塔架的中心轴线的方向上延伸的臂的承载结构安装在塔架上。每个机舱可以经由单独的偏航系统安装在塔架上，或者两个或更多个机舱可以经由共同的偏航系统安装在塔架上，在这种情况下，这些机舱相对于塔架一起偏航。

在任何情况下，由于机舱(一个或多个)经由偏航系统安装在塔架上，所以机舱可相对于塔架围绕基本上竖直的旋转轴线旋转，以便根据来风来引导风力涡轮机的一个或多个转子。偏航系统可以是主动偏航系统，在主动偏航系统中，机舱借助于偏航驱动机构主动地旋转，例如基于风向的测量。作为替代，偏航系统可以是被动偏航系统，在被动偏航系统中，机舱根据风向自动旋转，而不使用偏航驱动机构。作为另一替代，在偏航系统可在一些情况下主动地工作且在其它情况下被动地工作的意义上，偏航系统可为主动偏航系统和被动偏航系统的组合。

一个或多个机舱可以是具有包围机舱内部的外壁的传统机舱，机舱容纳风力涡轮机的各种部件，例如发电机、传动系等。作为替代，机舱可以简单地是能够相对于塔架进行偏航运动的结构。在这种情况下，上述部件中的一些或全部可以布置在机舱的外部，例如布置在塔架的内部部分中。

轮毂以可旋转的方式安装在每个机舱上。每个轮毂包括叶片承载结构，该叶片承载结构具有连接至其的一个或多个风力涡轮机叶片。因此，风力涡轮机叶片与轮毂和叶片承载结构一起相对于机舱旋转。

风力涡轮机优选地是水平轴风力涡轮机。

在本上下文中，用语“风力涡轮机叶片”应当被解释为表示经由铰链连接到叶片承载结构的部件。该部件将在一些或所有区段中限定空气动力学轮廓，但在其它区段中可具有臂和配重，即，其可具有对风力涡轮机的功率产生贡献较少或没有贡献的区段。

风力涡轮机叶片中的每一个在风力涡轮机叶片的铰接位置处经由铰链连接到叶片承载结构。因此，每个风力涡轮机叶片被布置成经由铰链相对于叶片承载结构进行枢转运动。因此，根据铰链的位置以及因此根据风力涡轮机叶片相对于叶片承载结构的位置，在每个风力涡轮机叶片与叶片承载结构之间限定了枢转角。因此，枢转角限定了给定的风力涡轮机叶片相对于叶片承载结构并由此相对于轮毂延伸所沿的方向。这继而确定了转子的直径，并由此确定了风力涡轮机从风中提取能量的能力。

不排除每个风力涡轮机叶片可以经由两个或更多个铰链连接到叶片承载结构。

枢转角可在限定最大转子直径的最小枢转角和限定最小转子直径的最大枢转角之间变化。

铰链可以是或包括例如呈轴颈轴承、滚柱轴承或任何其它合适类型的轴承的形式的轴承。

根据本发明的第一方面的方法，最初检测进入风力涡轮机周围的预定区域的空中物体。空中物体可以是飞机、一个或多个鸟、蝙蝠、昆虫等。空中物体还可以指落在风力涡轮机周围的预定区域内的大雨、冰雹、雪或类似物。风力涡轮机周围的预定区域可以涉及风力涡轮机周围的从风力涡轮机的位置基本水平地延伸并且在距塔架一段距离内的区域。预定区域限定了风力涡轮机被定位在其中的区域，并且具有布置在距风力涡轮机一段距离处的边界，该预定区域中存在比该边界更靠近风力涡轮机的进入空中物体可能与风力涡轮机碰撞的风险。在一个示例中，风力涡轮机与预定区域的边界之间的距离可以是一公里，但是可以取决于被检测的空中物体的种类，并且可以是几公里。

当空中物体进入风力涡轮机周围的预定区域时，空中物体和风力涡轮机之间存在碰撞的风险。如果风力涡轮机竖立在机场附近，则在风力涡轮机上方飞行的飞机可能需要风力涡轮机的有限的最大叶尖高度，从而提供安全间隙。风力涡轮机的叶尖高度可能太高而不能提供这种安全间隙。在空中物体是动物生命形式的情况下，例如一只或多只鸟，这些鸟在与风力涡轮机叶片碰撞期间可能被杀死，这对野生动物是有害的。此外，这种碰撞可能导致对风力涡轮机叶片的损坏。在昆虫群集期间，大量的昆虫可能出现在风力涡轮机的预定区域中，并且昆虫和风力涡轮机叶片之间可能发生碰撞。这导致风力涡轮机叶片的结垢，这对风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓具有高度有害的影响，并且由此对风力涡轮机从风中提取能量的能力具有高度有害的影响。

当空中物体进入风力涡轮机周围的预定区域时，例如通过风力涡轮机本身或通过单独的检测器或监视系统来检测其存在。检测可以由各种检测装置进行，例如传感器、雷达、激光雷达、照相机等，其具有至少允许检测装置监视预定区域的边界的范围。检测装置可以与风力涡轮机或风力涡轮机可能位于其中的风电场的控制单元通信或形成其一部分，并且一旦识别出对象就发送信号，使得控制单元可以及时控制风力涡轮机。检测装置可以持续地或间歇地监测风力涡轮机周围的预定区域，并且除了检测物体的存在之外，它还可以识别物体的尺寸和形状、其距风力涡轮机的距离、其速度和/或运动方向。

然后将当前叶尖高度值与最大允许叶尖高度值进行比较。当前叶尖高度值表示在检测到物体时或者在检测信号从检测装置传送到控制单元时的叶尖高度。当前叶尖高度可具有从其最大值到其最小值的范围内的任何值，该最大值对应于最大转子直径和最小枢转角，该最小值对应于最小转子直径和风力涡轮机叶片与叶片承载结构之间的最大枢转角。

最大允许叶尖高度值表示在主要条件下允许风力涡轮机实时具有的最大允许叶尖高度。最大叶尖高度值可以是由控制单元基于空中物体的位置及其运动方向而建立的固定值。主要条件通常涉及检测到的空中物体、其大小、距风力涡轮机的距离、运动的高度、速度和方向等。主要条件还可以包括环境条件，例如风速、风向、降水量、一天中的时间等。

比较可以在风力涡轮机的控制单元处进行，或者在单独的控制单元处进行。控制单元可以分辨当前叶尖高度是低于还是高于最大允许叶尖高度值。

最后，在比较显示当前叶尖高度超过最大允许叶尖高度值的情况下，调节风力涡轮机叶片的枢转角，以便将风力涡轮机的叶尖高度降低到低于最大叶尖高度值的值。由此确保风力涡轮机的叶尖高度满足当前需要的任何限制。

对于具有铰接的风力涡轮机叶片的风力涡轮机，由能够变化的枢转角来确定转子直径，且因此确定也可以相应地变化的叶尖高度。因此，风力涡轮机以低于最大允许叶尖高度值的降低的叶尖高度运转。

通过具有在检测到空中物体时可以以减小叶尖高度这种方式来操作风力涡轮机的方法，避免了碰撞，同时风力涡轮机保持运转并且因此保持产生电力。这是可能的，因为铰接的风力涡轮机叶片允许转子的直径变化，从而允许在需要时降低风力涡轮机的叶尖高度。因此，可以避免与空中物体的碰撞，同时维持风力涡轮机的功率产生。此外，当没有检测到空中物体时，风力涡轮机可以在全叶尖高度下操作，并且由此具有最大转子直径，这提供了具有极大益处的相当大的功率产生。因此，可以在具有叶尖高度限制的区域中，例如机场附近或在鸟的迁移路径上，架设具有大的转子直径的风力涡轮机，而不必设计具有永久的低叶尖高度的风力涡轮机。

应当注意，尽管本公开涉及叶尖高度和空中物体，但是本发明的原理也可以应用于避免与地面物体例如车辆或人碰撞。当如上所述调节枢转角时，其不是单独地导致叶尖高度的减小。这还导致地面与风力涡轮机叶片的叶尖之间的最小距离增加，即地面与风力涡轮机叶片之间的间隙增加。因此，在检测到地基物体进入预定区域的情况下，可以应用类似的过程，从而仅在这种情况发生时提供足够的间隙。

风力涡轮机叶片可以各自分别限定形成风力涡轮机叶片的最靠近轮毂布置的末端和风力涡轮机叶片的最远离轮毂布置的末端的内叶尖端和外叶尖端。

铰接位置可以布置在距内叶尖端一段距离且距外叶尖端一段距离处。在这种情况下，风力涡轮机叶片在不是风力涡轮机叶片的端部的位置处铰接到叶片承载结构。风力涡轮机叶片于是可在该风力涡轮机叶片静止时具有这样的质心，该质心定位在铰接位置与风力涡轮机叶片的内叶尖端之间。在这种情况下，风力涡轮机叶片的质心布置在风力涡轮机叶片的一部分中，该部分被布置成比铰接位置更靠近轮毂。当轮毂相对于机舱旋转时，离心力在质心位置处作用在每个风力涡轮机叶片上。因此，离心力将倾向于在向外的方向上推动风力涡轮机叶片的布置在铰接位置与内叶尖端之间的部分，即，风力涡轮机叶片的布置质心的部分。这将使风力涡轮机叶片经由铰链以风力涡轮机叶片朝向风力涡轮机叶片的纵向方向被布置成基本上平行于轮毂的旋转轴线的位置旋转的方式枢转。由此，风力涡轮机叶片以这样的方式枢转，即，枢转角增大并且转子的直径减小。旋转速度越高，风力涡轮机叶片将越朝向该位置枢转。

因此，根据该实施方式，转子的直径随着轮毂的旋转速度增加而自动地减小。因此，转子直径以及由此风力涡轮机从风中提取能量的能力根据主要风速自动地调节，而不需要复杂的控制算法或需要机械部件的维护，例如桨距机构等。

作为替代，转子的直径可以以任何其它合适的方式控制，例如使用合适的控制算法。

替代地或附加地，作用在风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓上的空气动力学力可使风力涡轮机叶片以转子的直径随着风速的增大而减小的方式枢转。在优选实施方式中，离心力和空气动力学力在风速增大时协作以减小转子直径，即，它们不相互抵消。这例如可以在风力涡轮机叶片的质心布置在风力涡轮机叶片的内叶尖端与铰接位置之间时获得，如上所述。对于一些风力涡轮机，例如小型风力涡轮机，离心力可能是确保风力涡轮机叶片朝向较小转子直径枢转的主要因素。对于其它风力涡轮机，例如较大的风力涡轮机，空气动力学力可能是主要因素。

在其它实施方式中，风力涡轮机叶片的质心可布置在铰接位置处或在铰接位置与风力涡轮机叶片的外叶尖端之间。因此，导致中性离心力或离心力朝向使风力涡轮机叶片随着旋转速度增大而朝向限定最小枢转角的位置移动起作用。

作为替代，铰接位置可以布置在内叶尖端处。在这种情况下，可能需要主动机构以便使风力涡轮机叶片枢转。然而，作用在风力涡轮机叶片上的空气动力学力可有助于使风力涡轮机叶片枢转。

该方法还可包括将偏压力施加到风力涡轮机叶片的步骤，该偏压力将风力涡轮机叶片朝向限定最小枢转角的位置偏压，并且调节风力涡轮机叶片的枢转角的步骤可包括减小施加到风力涡轮机叶片的偏压力。

根据该实施方式，风力涡轮机叶片被朝向限定最小枢转角且由此朝向限定最大转子直径的位置偏压。风力涡轮机叶片被允许如上所述地枢转，但是抵抗所施加的偏压力而进行朝向限定最大枢转角的位置的枢转运动。在风力涡轮机叶片是其中响应于风力涡轮机的旋转速度自动调节枢转角的类型的情况下，所施加的偏压力限定平衡位置，并且由此限定对于给定旋转速度的枢转角。

当需要调节枢转角以调节风力涡轮机的叶尖高度时，调节施加到风力涡轮机叶片的偏压力。在需要较小的叶尖高度的情况下，则施加到风力涡轮机叶片的偏压力被减小。因此，风力涡轮机叶片被较小的力朝向最小枢转角偏压，并且使风力涡轮机叶片朝向最大枢转角移动变得更容易。因此，对于给定旋转速度的平衡位置以这样的方式改变，即，在给定旋转速度下获得较小的转子直径，且从而获得较低的叶尖高度。

当空中物体离开预定区域时，可能需要增加叶尖高度，并且在这种情况下，施加到风力涡轮机叶片的偏压力被增大。因此，风力涡轮机叶片被较大的力朝向最小枢转角偏压，并且使风力涡轮机叶片朝向最大枢转角移动变得更加困难。因此，对于给定旋转速度的平衡位置以这样的方式改变，即，在给定旋转速度下获得较大的转子直径。

例如，偏压力可以借助于附接到风力涡轮机叶片的内部部分的线来施加，该线向外拉动风力涡轮机叶片，即，朝向最小枢转角和最大转子直径拉动风力涡轮机叶片。在这种情况下，偏压力可以通过调节由线施加的拉力来调节。

作为替代，偏压力可借助于作用于风力涡轮机叶片中的一个或多个弹簧来施加，例如，借助于被布置成用于朝向最小枢转角和最大转子直径拉动或推动风力涡轮机叶片的可压缩弹簧来施加。在这种情况下，偏压力例如可以借助于安装在轮毂中、叶片承载结构中、风力涡轮机叶片本身中、机舱中或塔架中的滑轮或液压致动器来调节。

作为另一替代，偏压力可以是力矩的形式。在这种情况下，偏压力可借助于布置在铰链中的扭转弹簧施加，该扭转弹簧朝向最小枢转角和最大转子直径拉动或推动风力涡轮机叶片。在这种情况下，偏压力也可以通过改变扭转力矩来调节，例如借助于安装在轮毂中、叶片承载结构中、风力涡轮机叶片本身中、机舱中或塔架中的滑轮或液压致动器来调节。

作为另一替代，偏压力可以借助于液压机构来施加，该液压机构连接到风力涡轮机叶片并且被布置成用于朝向最小枢转角和最大转子直径拉动或推动风力涡轮机叶片。在这种情况下，偏压力可以通过调节液压机构中的压力来调节。

替代地，调节风力涡轮机叶片的枢转角的步骤可包括将力施加到风力涡轮机叶片，这导致风力涡轮机叶片朝向增加枢转角的位置移动。

根据该实施方式，不是将风力涡轮机叶片朝向限定最小枢转角的位置偏压，而是可以将使风力涡轮机叶片沿相反方向移动即朝向限定最大枢转角且由此限定最小转子直径的位置移动的力施加到风力涡轮机叶片。在这种情况下，提供风力涡轮机叶片的枢转运动的机构可以有利地是主动机构，其例如响应于适当的控制信号将风力涡轮机叶片移动到特定的枢转角。

当需要调节枢转角以便调节风力涡轮机的叶尖高度时，调节所施加的力。在需要较小的叶尖高度的情况下，增大所施加的力，而在需要较大的叶尖高度的情况下，减小所施加的力。

力可以例如借助于附接到风力涡轮机叶片的外部部分的线来施加，该线向内即朝向最大枢转角和最小转子直径拉动风力涡轮机叶片。在这种情况下，该力可以通过调节由线施加的拉力来调节。

作为替代，力可以借助于作用在风力涡轮机叶片中的一个或多个弹簧来施加，例如，借助于被布置成用于朝向最大枢转角和最小转子直径拉动或推动风力涡轮机叶片的可压缩弹簧来施加。在这种情况下，例如，力可以借助于安装在轮毂中、叶片承载结构中、风力涡轮机叶片本身中、机舱中或塔架中的滑轮或液压致动器来调节。

作为另一替代，力可以是力矩的形式。在这种情况下，偏压力可以借助于布置在铰链中的扭转弹簧施加，该扭转弹簧朝向最大枢转角和最小转子直径拉动或推动风力涡轮机叶片。在这种情况下，力也可以通过改变扭转力矩来调节，例如借助于安装在轮毂中、叶片承载结构中、风力涡轮机叶片本身中、机舱中或塔架中的滑轮或液压致动器来调节。

作为另一替代，力可以借助于液压机构来施加，该液压机构连接到风力涡轮机叶片并且被布置成用于朝向最大枢转角和最小转子直径且由此朝向最小叶尖高度拉动或推动风力涡轮机叶片。在这种情况下，力可以通过调节液压机构中的压力来调节。

用于调节风力涡轮机叶片的枢转角的又一替代方案可包括调节风力涡轮机的旋转速度和/或风力涡轮机的发电机扭矩。在本上下文中，用语“旋转速度”应当被解释为表示轮毂在运转期间旋转的角速度，并且用语“发电机扭矩”应当被解释为表示供应到发电机的扭矩。例如，可以通过改变发电机转矩来调节旋转速度。发电机转矩可以通过例如经由频率转换器调节发电机中的电流来调节。在风力涡轮机是当例如由于作用于风力涡轮机叶片上的离心力和/或空气动力学力而使旋转速度增加时自动减小转子直径的类型的情况下，旋转速度和/或发电机扭矩的调节将自动导致转子直径的调节，并且由此导致叶尖高度的调节。例如，在低风速的情况下，发电机可以用于增加转子的旋转速度，以便例如由于作用在风力涡轮机叶片上的离心力和/或空气动力学力而使风力涡轮机叶片朝最大枢转角和最小转子直径枢转。

该方法还可以包括基于最大允许叶尖速度值来计算最大叶尖高度值的步骤。在本上下文中，用语“叶尖速度”应当解释为表示在风力涡轮机的运转期间风力涡轮机叶片的外叶尖端随着它们与轮毂一起旋转时的速度。在某些情况下，可能希望降低叶尖速度。例如，当检测到的空中物体是一个或多个鸟或丛集性昆虫的形式时，情况就是这样，因为已知高的叶尖速度会导致鸟或昆虫与风力涡轮机叶片之间的碰撞的高风险。因此，在这种情况下，降低叶尖速度将降低碰撞的风险。

最大允许叶尖速度值表示风力涡轮机被允许在主要条件下具有的最大叶尖速度。因此，主要状况可涉及接近风力涡轮机的物理对象，或者它们可涉及环境状况，例如大雨、雪、冰雹、沙尘暴或类似状况。例如，如果一群鸟或昆虫群接近风力涡轮机，则基于由检测装置收集的信息，控制单元可计算该群可能在某个时间段内经过风力涡轮机。在这种情况下，降低风力涡轮机的叶尖速度可能是有益的，因为这可以允许群集/群族在风力涡轮机叶片之间经过。在这种情况下，最大允许的叶尖高度可以高于群集/群族的位置，但是根据最大允许的叶尖速度进行调整。在另一个示例中，在强降水情况下，保护风力涡轮机叶片的前缘不受随时间推移的腐蚀可能是降低叶尖速度的原因。为了进行保护而所需的叶尖速度然后可用于计算最大允许叶尖高度。该计算可以基于功率优化，即，限定转子直径的最佳对，并且由此限定叶尖高度以及风力涡轮机的旋转速度。一旦强降水停止，叶尖速度以及由此叶尖高度可被改变到先前值。

在又一示例中，维修和风力涡轮机叶片检查可揭示在风力涡轮机叶片上存在一定水平的前缘侵蚀。然后，可在一段时间内减小叶尖速度值，直到在计划的叶片服务中修复风力涡轮机叶片的前缘。如上所述，也可以相应地调节叶尖高度和旋转速度。通过基于最大允许叶尖速度来调节叶尖高度，可以应对风力涡轮机附近存在的空中物体和/或环境条件，同时风力涡轮机继续发电。

检测空中物体的步骤可以通过雷达检测来进行。安装在风力涡轮机或风电场上的雷达系统可以连续地且自主地扫描风力涡轮机周围的预定区域。雷达系统可以具有高达36公里或更大的仪器范围。例如，如果检测到正在接近的飞行器，则跟踪其距离、速度和航向，并且可以对是否需要调整叶尖高度进行自动评估。然后，该评估可被发送到控制单元，该控制单元可相应地同时控制风力涡轮机叶片。替代地，检测可以由传感器、LIDAR、诸如照相机的可视装置、诸如麦克风的音频装置、应答器等来进行。风电场的每个风力涡轮机可以配备有一个或多个检测装置，该一个或多个检测装置仅监测安装了这些检测装置的风力涡轮机的预定区域。替代地，一个或多个检测装置可覆盖若干风力涡轮机的预定区域。检测装置可以与发送捕获的信号以用于进一步分析的控制单元通信。用于预定区域的视觉监视的摄像机可以在将所捕获的图像发送到控制单元之前进行数字图像处理。多个摄像机可以用于监控该区域，并且所获得的图像可以被组合成一个图像，该图像然后可以被发送到控制单元。此外，麦克风可以被配置成检测由预定区域内的鸟发出的频率。

该方法还可包括调节风力涡轮机叶片的枢转角以便基于时间条件来减小风力涡轮机的叶尖高度的步骤。例如，由于较低的可见度，尤其是如果最大叶尖高度值是基于来自摄像机和其它视觉传感器的输出的，叶尖高度限制在夜间比在白天更严格。因此，最大允许叶尖高度值在白天期间可能高于在夜晚期间。这在空中物体是飞机的情况下尤其相关。此外，黄昏期间昆虫群更频繁，因此黄昏期间可以应用更严格的叶尖高度限制，特别是在具有许多昆虫的场所，例如近群。

在全年的某些时期，例如在鸟类迁徙期间，也可以调整叶尖高度。此外，对叶尖高度或叶尖速度的限制可由天气预报控制，即，如果预报例如呈雨、暴风雪、过大风、冰雹等形式的强降水，则可相应地控制叶尖高度以避免风力涡轮机的损坏。

该方法可以进一步包括以下步骤：

检测到空中物体不再位于风力涡轮机周围的预定区域内，以及

调节风力涡轮机叶片的枢转角以增大风力涡轮机的叶尖高度。

在已经调节叶尖高度之后，检测装置可以继续监测风力涡轮机周围的预定区域。在某个时间点，空中物体离开预定区域，并且因此不再与风力涡轮机运转相关。此时，检测装置可以向控制单元传达预定区域没有(一个或多个)空中物体，并且控制单元然后可以在没有叶尖高度限制的情况下控制风力涡轮机，例如通过调节风力涡轮机叶片的枢转角使得风力涡轮机的叶尖高度增加。如果所有与风力涡轮机运转相关的条件都是最佳的，则转子直径可以达到其最大值。当空中物体不再处于预定区域内时调节枢转角以确保风力涡轮机总是以最佳方式运转。

该方法还可包括产生指示风力涡轮机的当前叶尖高度的信号的步骤。指示信号可以是可见光信号、音频信号、电子信号、无线电信号等的形式。不同颜色和/或强度的可见光可以由例如安装在风力涡轮机叶片的叶尖的LED产生。因此，不仅警告进入的飞机存在风力涡轮机，而且颜色、强度和/或图案还通知飞行员风力涡轮机的当前叶尖高度，因此飞行员可以在操纵飞机经过风力涡轮机时考虑这一点。

电子信号和/或无线电信号可由风力涡轮机产生，并且被传送到进来的飞机，通知它们关于风力涡轮机的叶尖高度。因此，飞行员可以接收屏幕上的消息，通知他风力涡轮机的当前叶尖高度，并且因此当驾驶飞机经过风力涡轮机时，他可以容易地考虑这一点。

当例如检测到一群鸟时，可以产生音频警报。这可能是例如鸟类不喜欢的频率的噪声。通过仅在需要时，即当物体接近风力涡轮机时提供信号通知，避免了不必要的连续信号通知。

根据第二方面，本发明提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括塔架、经由偏航系统安装在塔架上的至少一个机舱、以可旋转的方式安装在每个机舱上的轮毂、以及一个或多个风力涡轮机叶片，每个轮毂包括叶片承载结构，每个风力涡轮机叶片在风力涡轮机叶片的铰接位置处经由铰链连接到叶片承载结构，每个风力涡轮机叶片由此被布置成相对于叶片承载结构在最小枢转角和最大枢转角之间进行枢转运动，

其中，所述风力涡轮机还包括被布置成响应于指示已经检测到进入风力涡轮机周围的预定区域的空中物体的信号而朝向限定最大枢转角的位置调节风力涡轮机叶片的枢转角的调节机构。

根据本发明第二方面的风力涡轮机可以借助于根据本发明第一方面的方法来控制。因此，本领域技术人员将容易理解，结合本发明的第一方面描述的任何特征也可以与本发明的第二方面组合，反之亦然。因此，上面参照本发明的第一方面阐述的评论在这里同样适用。

风力涡轮机可进一步包括偏压机构，该偏压机构被布置成向风力涡轮机叶片施加偏压力，该偏压力将风力涡轮机叶片朝向限定最小枢转角的位置偏压，并且被布置成调节风力涡轮机叶片的枢转角的调节机构可被布置成减小所施加的偏压力。这已经在上面参考本发明的第一方面进行了描述。

风力涡轮机可以是顺风风力涡轮机。根据该实施方式，转子背对来风，即风在经过机舱之后到达风力涡轮机叶片。顺风风力涡轮机非常适合于应用被动偏航系统，即，根据来风自动地引导风力涡轮机的转子而不使用偏航驱动和控制系统的偏航系统。这进一步减少了对易于需要维护的部件的需要。此外，在顺风风力涡轮机中，被动冷却系统可相对于转子逆风地布置，从而能够改进各种风力涡轮机构件的冷却。

作为替代，风力涡轮机可为逆风风力涡轮机，在这种情况下，转子面向来风。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明，其中

图1是根据本发明实施方式的风力涡轮机的正视图，

图2和图3是图1的风力涡轮机叶片处于两个不同枢转角的侧视图，

图4和图5示出了根据本发明实施方式的用于调节风力涡轮机的风力涡轮机叶片的枢转角的机构的细节，

图6示出了根据本发明的实施方式的风力涡轮机，其中风力涡轮机叶片处于三个不同位置，以及

图7至图9示出了根据本发明实施方式的用于调节风力涡轮机的风力涡轮机叶片的枢转角的各种机构。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施方式的风力涡轮机1的正视图。风力涡轮机1包括塔架2和安装在塔架2上的机舱(不可见)。轮毂3以可旋转的方式安装在机舱上，轮毂3包括具有三个臂的叶片承载结构4。风力涡轮机叶片5经由铰链6连接到叶片承载结构4的每个臂上。因此，风力涡轮机叶片5与轮毂3一起相对于机舱旋转，并且风力涡轮机叶片5可以经由铰链6相对于叶片承载结构4进行枢转运动。

每个风力涡轮机叶片5限定了沿着风力涡轮机叶片5的长度在内叶尖端5a和外叶尖端5b之间延伸的空气动力学轮廓。铰链6布置在风力涡轮机叶片5的铰接位置处，铰接位置与内叶尖端5a相距一段距离并且与外叶尖端5b相距一段距离。

图2是图1的风力涡轮机1的侧视图，其中风力涡轮机叶片5定位在最小枢转角，即，定位在导致风力涡轮机1的最大转子直径并因此导致风力涡轮机1的最大叶尖高度H的枢转角处。风力涡轮机叶片5借助于附接到风力涡轮机叶片5的内部部分即在铰链6和内叶尖端5a之间的位置处的线而被朝向该位置偏压。这将在下面参照图4和图5进一步详细描述。

图3是图1和图2的风力涡轮机1的侧视图，在图3中，风力涡轮机叶片5以比图2的最小枢转角大的枢转角P定位。从而风力涡轮机1的转子直径在图3所示的情况下比在图2所示的情况下小。

通过减小转子直径，风力涡轮机1的叶尖高度H也减小。由此，能够避免风力涡轮机1与进入风力涡轮机1周围的预定区域的空中物体之间的碰撞。由于风力涡轮机1和空中物体之间的碰撞概率强烈地取决于叶尖高度，因此碰撞概率在图3所示的情况下比在图2所示的情况下低。在图3中可以看到将风力涡轮机叶片5朝向最小枢转角位置拉动的线8的一部分。

图1至图3的风力涡轮机1可以以下面的方式运转。最初，风力涡轮机1以普通方式运转，从风中提取尽可能多的能量。如图2所示，线8将风力涡轮机叶片5朝向最小枢转角位置偏压，而作用在风力涡轮机叶片5上的离心力和可能作用在风力涡轮机叶片5上的空气动力学力试图使风力涡轮机叶片5朝向更大的枢转角运动，使得风力涡轮机1的旋转速度越高，组合的离心力和空气动力学力将越大。因此，对于给定的风速，以及由此对于风力涡轮机1的给定旋转速度，实现了将风力涡轮机叶片5定位在特定的枢转角处的平衡。

在某个时间点，检测进入风力涡轮机1周围的预定区域的空中物体，并且提供最大允许叶尖高度值。空中物体可以是例如飞机、一个或多个鸟、昆虫群等的形式。最大允许叶尖高度值表示在主要条件下，特别是在检测到空中物体进入风力涡轮机1周围的预定区域的情况下，风力涡轮机1被允许实时具有的最大允许叶尖高度。最大叶尖高度值可以是由控制单元基于空中物体的位置及其运动方向建立的固定值。

然后将风力涡轮机1的当前叶尖高度H与最大允许叶尖高度值进行比较。在显示当前叶尖高度H超过最大允许叶尖高度值的情况下，风力涡轮机1的叶尖高度H需要降低到低于最大允许叶尖高度值。因此，风力涡轮机叶片5的枢转角被调节到导致低于最大允许叶尖高值的叶尖高H的枢转角P。因此，在风力涡轮机叶片5以该枢转角P布置的情况下操作风力涡轮机1将具有最大允许叶尖高度值不被超过的结果。

风力涡轮机叶片5的枢转角P可以以如下方式调节。如上所述，线8将风力涡轮机叶片5朝向限定最小枢转角并由此限定风力涡轮机1的最大转子直径的位置拉动。在必须减小叶尖高度H以避免与进入的空中物体碰撞的情况下，由线8施加到风力涡轮机叶片5的拉力减小。这允许风力涡轮机叶片5更容易地朝向更大的枢转角移动，并且由此朝向更小的转子直径和更低的叶尖高度移动。因此，风力涡轮机1将以较小的转子直径运转，并且因此以较低的叶尖高度运转。这防止空中物体和风力涡轮机1之间的碰撞，同时维持电力生产。

图2所示的风力涡轮机1在最大转子直径下运转，例如，通过线8向风力涡轮机叶片5施加最大的力。在图2的风力涡轮机1中，通过线8向风力涡轮机叶片5施加的力已经减小，导致枢转角P增大，转子直径减小，叶尖高度H减小，从而避免与空中物体碰撞，同时保持风力涡轮机1的发电。

通过以在检测到空中物体时减小叶尖高度H的方式操作风力涡轮机1，避免了碰撞，同时风力涡轮机1保持运转并因此保持了产生功率。这是可能的，因为枢转的风力涡轮机叶片5允许转子直径变化，从而调节风力涡轮机1的叶尖高度H。因此，可以避免空中物体，同时维持风力涡轮机1的功率产生。

图4和图5示出了根据本发明实施方式的用于调节风力涡轮机的风力涡轮机叶片5的枢转角的机构的细节。风力涡轮机可以是例如图1至图3的风力涡轮机1。

图4示出了叶片承载结构4的一部分和风力涡轮机叶片5的一部分。风力涡轮机叶片5经由铰链(未示出)枢转地安装在叶片承载结构4上。在风力涡轮机叶片5的内叶尖端5a和铰链的位置之间的位置处，线8连接到风力涡轮机叶片5。线8从风力涡轮机叶片5处的连接位置经由滑轮9并沿着叶片承载结构4朝向轮毂(未示出)延伸。

借助于线8施加的拉力将风力涡轮机叶片5朝向限定最小枢转角的位置拉动。在图4中，风力涡轮机叶片以最小枢转角布置。减小借助于线8施加的拉力将允许风力涡轮机叶片5以上面参照图1至图3所述的方式更容易地朝向更大的枢转角枢转。

图5是部分轮毂3和部分机舱7的横截面图。叶片承载结构4的臂安装在轮毂3上，同样在图4中示出的线8连接到布置在轮毂3中的绞盘机构10。从而通过旋转绞盘机构10可以调节借助于线8施加的拉力，从而调节线8的长度。

图6示出了根据本发明的实施方式的风力涡轮机1，其中风力涡轮机叶片5以三个不同的枢转角布置。风力涡轮机1例如可以是图1至图3的风力涡轮机。

最左边的图示出了风力涡轮机1，其中风力涡轮机叶片5定位在最小枢转角处，且因此具有最大转子直径和最大叶尖高度。

中间的图示出了风力涡轮机1，其中风力涡轮机叶片5以大于最左侧的图的枢转角定位。因此，中间图的风力涡轮机1的转子直径小于最左图的风力涡轮机1的转子直径。因此，中间图的风力涡轮机1的叶尖高度也低于最左图的风力涡轮机1的叶尖高度。

最右边的图示出了风力涡轮机1，其中风力涡轮机叶片5以甚至更大的枢转角定位，导致非常小的转子直径，甚至更低的叶尖高度，并且因此导致空中物体与风力涡轮机1之间的碰撞的甚至更低的风险。可以看出，风力涡轮机叶片5被布置成大致平行于轮毂3的旋转轴线。这个位置有时被称为“桶模式”。

图7是示出根据本发明的第二实施方式的风力涡轮机1的示意图。图7的风力涡轮机1与图1至图3的风力涡轮机1非常相似，因此这里将不对其进行详细描述。

图7的风力涡轮机1没有设置图1至图3所示的线。相反，风力涡轮机叶片5借助于连接在叶片承载结构4和风力涡轮机叶片5之间的液压机构11在风力涡轮机叶片5的内叶尖端5a和铰链6之间的位置处被朝向限定最小枢转角的位置偏压，从而被朝向限定最大转子直径的位置偏压。液压机构11向风力涡轮机叶片5施加偏压力，该偏压力将风力涡轮机叶片5朝向限定最小枢转角的位置拉动。所施加的偏压力可以通过调节液压机构11的压力来调节。

图8是示出根据本发明第三实施方式的风力涡轮机1的示意图。图8的风力涡轮机1与图1至图3和图7的风力涡轮机1非常相似，因此这里将不对其进行详细描述。

在图8的风力涡轮机1中，风力涡轮机叶片5经由位于风力涡轮机叶片5的内叶尖端5a处的铰链6连接到叶片承载结构4。此外，图8的风力涡轮机1没有设置将风力涡轮机叶片5朝向限定最小枢转角并由此限定最大转子直径的位置偏压的偏压装置。相反，液压机构12连接在叶片承载结构4和风力涡轮机叶片5之间，并且风力涡轮机叶片5可以借助于液压机构12被朝向限定最大枢转角并由此限定最小转子直径的位置拉动。因此，液压机构12将力施加到风力涡轮机叶片5，这使得它们沿该方向移动。

在需要调节风力涡轮机叶片5的枢转角P的情况下，这可以通过调节施加到风力涡轮机叶片5上的力来实现。在图8的风力涡轮机1中，这可以通过调节液压机构12的压力来实现。

图9是示出根据本发明第四实施方式的风力涡轮机1的示意图。图9的风力涡轮机1与图1至图3、图7和图8的风力涡轮机非常相似，因此在此将不对其进行详细描述。

与图8的风力涡轮机1类似，图9的风力涡轮机1的风力涡轮机叶片5在风力涡轮机叶片5的内叶尖端5a处经由铰链6连接到叶片承载结构4。然而，在图9的风力涡轮机1中，施加到风力涡轮机叶片5的力使它们朝向限定最大枢转角且由此限定最小转子直径的位置移动，该力是借助于连接到安装在叶片承载结构4上的绞盘14的线13提供的。在需要调节风力涡轮机叶片的枢转角的情况下，这可以通过操作绞盘14，从而调节线13的长度并相应地调节所施加的拉力来实现。

Claims (12)

1.一种用于操作风力涡轮机(1)的方法，所述风力涡轮机(1)包括塔架(2)、经由偏航系统安装在所述塔架(2)上的至少一个机舱(7)、以可旋转的方式安装在每个机舱(7)上的轮毂(3)、以及一个或多个风力涡轮机叶片(5)，每个轮毂(3)包括叶片承载结构(4)，每个风力涡轮机叶片(5)在所述风力涡轮机叶片(5)的铰接位置处经由铰链(6)连接到所述叶片承载结构(4)，每个风力涡轮机叶片(5)由此被布置成相对于所述叶片承载结构(4)在限定最大转子直径的最小枢转角和限定最小转子直径的最大枢转角之间进行枢转运动，所述方法包括以下步骤：

检测进入所述风力涡轮机(1)周围的预定区域的空中物体，

将所述风力涡轮机(1)的当前叶尖高度(H)与最大叶尖高度值进行比较，所述最大叶尖高度值表示包括被检测到的空中物体的当前主要条件下的最大允许叶尖高度，以及

在所述当前叶尖高度(H)超过所述最大叶尖高度值的情况下，调节所述风力涡轮机叶片(5)的枢转角(P)，以便将所述风力涡轮机(1)的所述叶尖高度(H)降低到低于所述最大叶尖高度值的值。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括向所述风力涡轮机叶片(5)施加偏压力的步骤，所述偏压力将所述风力涡轮机叶片(5)朝向限定最小枢转角的位置偏压，并且其中调节所述风力涡轮机叶片(5)的所述枢转角(P)的步骤包括减小向所述风力涡轮机叶片(5)施加的所述偏压力。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述风力涡轮机叶片(5)的所述枢转角(P)的步骤包括向所述风力涡轮机叶片(5)施加力，所述力使所述风力涡轮机叶片(5)朝向增大所述枢转角(P)的位置移动。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述风力涡轮机叶片(5)的所述枢转角(P)的步骤包括调节所述风力涡轮机(1)的旋转速度和/或所述风力涡轮机(1)的发电机扭矩。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法还包括基于最大允许叶尖速度值来计算所述最大叶尖高度值的步骤。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，检测空中物体的步骤是借助于雷达检测来进行的。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，该方法还包括调节所述风力涡轮机叶片(5)的所述枢转角(P)以便基于时间条件来减小所述风力涡轮机(1)的叶尖高度的步骤。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：

检测到空中物体不再位于所述风力涡轮机(1)周围的所述预定区域内，以及

调节所述风力涡轮机叶片(5)的所述枢转角(P)以增大所述风力涡轮机(1)的所述叶尖高度。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，该方法还包括产生指示所述风力涡轮机(1)的所述当前叶尖高度的信号的步骤。

10.一种风力涡轮机(1)，该风力涡轮机包括塔架(2)、经由偏航系统安装在所述塔架(2)上的至少一个机舱(7)、以可旋转的方式安装在每个机舱(7)上的轮毂(3)、以及一个或多个风力涡轮机叶片(5)，每个轮毂(3)包括叶片承载结构(4)，每个风力涡轮机叶片(5)在所述风力涡轮机叶片(5)的铰接位置处经由铰链(6)连接到所述叶片承载结构(4)，每个风力涡轮机叶片(5)由此被布置成相对于所述叶片承载结构(4)在限定最大转子直径的最小枢转角和限定最小转子直径的最大枢转角之间进行枢转运动，

其中，所述风力涡轮机(1)还包括调节机构(8，10，11，12，13，14)，所述调节机构被布置成响应于指示已经检测到进入所述风力涡轮机(1)周围的预定区域的空中物体的信号而朝向限定最大枢转角的位置调节所述风力涡轮机叶片(5)的枢转角(P)，以降低叶尖高度。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机(1)，该风力涡轮机还包括偏压机构，该偏压机构被布置成向所述风力涡轮机叶片(5)施加偏压力，该偏压力将所述风力涡轮机叶片(5)朝向限定最小枢转角的位置偏压，并且其中，被布置成调节所述风力涡轮机叶片(5)的枢转角(P)的所述调节机构被布置成减小所施加的偏压力。

12.根据权利要求10或11所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机(1)是顺风风力涡轮机。