CN115135873A - 可在反向运行模式中运行的风力涡轮机以及相应的运行风力涡轮机的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种风力涡轮机（100）。风力涡轮机（100）包括风力转子（101）和机械地联接到风力转子（101）的发电机（108）。风力涡轮机（100）被构造成在第一运行模式中和在第二运行模式中运行，其中，在第二运行模式中，与第一运行模式相比，风力转子（101）相对于风向（104）沿相反方向定向。风力涡轮机（101）的发电机（108）被构造成在第一运行模式中和在第二运行模式中都产生电力。此外，描述了相应的运行风力涡轮机（100）的方法。

Description

可在反向运行模式中运行的风力涡轮机以及相应的运行风力 涡轮机的方法

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的技术领域。

背景技术

水平轴风力涡轮机必须对它们的转子平面进行定向，以便有效地从风中提取能量。“逆风”风力涡轮机具有转子平面，在运行期间，该转子平面通常在塔架前方沿来风方向定向。

在风力涡轮机没有电网供应的时间段期间，可以使用能量存储系统继续运行风力涡轮机。这有许多好处，包括：允许涡轮机维护其通信系统、维护其内部环境、向维护设备和安全灯和信标提供电力、以及在极端天气情况下控制其定向。通过运行涡轮机（即，使用空气动力学转子从风中提取能量），可以在离网时维持能量存储系统的能量含量。

然而，当能量存储系统为风力涡轮机提供电力时，可能会出现各种问题。根据第一个问题，可能存在风太低而无法运行风力涡轮机的时间段。在该时间段期间，能量存储系统的能量含量可能会耗尽，并且一些系统的运行可能会被禁用。例如，为了使转子与来风对准而进行的风力涡轮机的偏航可能被禁用。当风返回并足以运行时，如果风向已经改变，能量存储系统可能不具有足够的能量含量来将风力涡轮机偏航回到逆风定向。这可能导致能量存储系统完全耗尽，并需要由维护人员进行访问。

根据第二个问题，在诸如飓风或台风的极端风事件期间，将风力涡轮机的转子平面正确定向为“顺风”可能是有利的。可以这样做以减少风力涡轮机上的结构载荷和/或将涡轮机置于具有更大静态稳定性的构造中。如果风力涡轮机顺风放置，与此同时离网，那么在这种构造下，它将无法维持其能量存储系统的充电状态。这将限制风力涡轮机能够维持这种顺风定向并针对风向变化有效调整定向的时间量。

传统上，为了解决如上所述的技术问题，能量存储系统被设计成具有足够大的存储容量。为了确保考虑到最坏的情况，这种存储容量可能需要非常大，由此在风力涡轮机内占据额外的间并增加重量和成本。

因此，可能需要能够进行有效能量管理的风力涡轮机和运行风力涡轮机的方法。

发明内容

这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，风力涡轮机包括风力转子和发电机，该发电机机械地联接到风力转子。风力涡轮机被构造成在第一运行模式中和在第二运行模式中运行。在第二运行模式中，与第一运行模式相比，风力转子相对于风向沿相反方向定向。风力涡轮机的发电机被构造成在第一运行模式中和在第二运行模式中都产生电力。

根据本发明的另外的方面，一种运行风力涡轮机的方法包括在第二运行模式中运行风力涡轮机和在第一运行模式中运行风力涡轮机。在第二运行模式中，与第一运行模式相比，风力转子相对于风向沿相反方向定向。风力涡轮机的发电机被构造成在第一运行模式中和在第二运行模式中都产生电力，其中该发电机机械地联接到风力转子。

在本申请的上下文中，“风力涡轮机”是被构造成将风能转换成电能的任何装置，特别是用于分配给电网和/或用于本地能量供应。风力涡轮机可包括塔架、风力转子、机舱、轴（特别是低速轴和/或高速轴）、齿轮箱、发电机、制动组件、桨距驱动器和/或偏航驱动器。风力转子可以是转子组件，并且可以包括一个或多个叶片和中心轮毂，叶片附接到中心轮毂。风力转子还可包括将转子轮毂与叶片连接的桨距轴承。利用桨距轴承，叶片的定向（特别是叶片的迎角）是可调节的。

发电机可以是包括一个或多个发电机装置的发电机组件，发电机可被构造成将风力转子的旋转动能转换成电能。可以为每种运行模式提供不同的发电机装置，或者同一发电机装置可以用于两种运行模式。发电机可以位于风力涡轮机的机舱中。它可以借助于一个或多个轴以及可选的齿轮箱与风力转子机械地联接。风力涡轮机可以是不需要齿轮箱的直接驱动风力涡轮机。风力涡轮机可以是逆风风力涡轮机，在空气动力学上被构造成主要在转子的逆风定向上产生能量。它也可以是顺风涡轮机，在空气动力学上被构造成主要在转子的顺风定向上产生能量。

风力涡轮机的“运行”可以指其中风力涡轮机将动能转换成电能的一种状态或一系列状态。风力涡轮机的“运行模式”可由风力涡轮机的内部参数和/或外部参数来确定。内部参数可表征风力涡轮机的状态，而外部参数可表征风力涡轮机的环境状态和/或风力涡轮机的状态和环境状态之间的关系。风力涡轮机的运行模式可由风力转子的旋转方向、风向、风力涡轮机的偏航角和风力涡轮机叶片的桨距角中的至少一者来确定。在与第二运行模式相反的第一运行模式中，风力涡轮机（特别是风力转子）可以针对发电进行空气动力学优化。第一运行模式可以是正常运行模式，第二运行模式可以是安全或恢复运行模式。

“风向”可被限定为风力涡轮机转子处或附近的风向，特别是自风力涡轮机的转子的逆风定向。风向可被限定为距风力涡轮机的预先确定的距离处的来风方向，特别是在风力涡轮机的转子和/或其它部分不会显著影响来风的距离处。风向可被限定为风力转子的叶片处的结合的进入和引入的风的方向，其中引入的风可以是由转子和/或风力涡轮机的其它部分在转子的叶片处引入的风。引入的风可以是自由未扰动气流之外的风分量。

风向可以是平均风向。它可以在风力涡轮机附近的多个位置上取平均。可选地或附加地，它可以在给定的时间段内取平均。风向可在由风力涡轮机的塔架和/或风力涡轮机固定至的地面确定的参考系中限定。风向可以是由风力涡轮机的风速计测量的风向，该风速计特别是安装至风力涡轮机的机舱或塔架的风速计。

风力转子的“相对于风向定向”可指转子平面相对于风向的定向。它可以指转子平面的表面法线相对于风向的定向。转子平面的表面法线被限定为指向风力涡轮机、特别是指向风力涡轮机的塔架和/或机舱的表面法线。表面法线可以限定在由风力涡轮机的塔架和/或风力涡轮机固定至的地面给出的参考系中。风力转子的定向可与风力涡轮机的偏航角相关，该偏航角可对应于机舱和塔架之间的角度。

如果风力转子在一种运行模式中逆风定向，而在另一种运行模式中顺风定向，则可以实现两种运行模式中的“沿相反方向定向”。当且仅当风向和转子平面的表面法线的标量积为正时，风力转子可被限定为“逆风”定向。当且仅当风向和转子平面的表面法线的标量积为负时，风力转子可被限定为“顺风”定向。

在逆风定向中，风力涡轮机的转子可相对于塔架逆风定位。在顺风定向中，风力涡轮机的转子可相对于塔架顺风定位。

当且仅当风向和表面法线之间的角度小于90°，特别是小于30°，特别是小于8°时，可以实现逆风定向。同样，当且仅当风向和表面法线之间的角度大于90°，特别是大于150°，特别是大于172°时，可以实现顺风定向。顺风和逆风定向的角度范围可以对应，但不需要对应。由于叶片的空气动力学特性所致和/或为了避免大的结构载荷，可能需要高达30°或大于150°的角度，特别是高达8°或大于172°的角度来有效发电。但是原则逆风力发电对于风力转子的任何定向都是可能的，可能排除完全垂直的90°定向。

相对于风向沿相反方向定向可以用以下方式限定。当且仅当在第一运行模式中，转子平面的表面法线和风向之间的角度小于90°，特别是小于30°，特别是小于8°，而在第二运行模式中，转子平面的表面法线和风向之间的角度大于90°，特别是大于150°，尤其是大于172°时，则在第二运行模式中，与第一运行模式相比，风力转子可相对于风向沿相反方向定向。

可替代地，相对于风向沿相反方向定向可以用以下方式限定。当且仅当在第一运行模式中，风力涡轮机的叶片的迎角小于180°时，而在第二运行模式中，风力涡轮机的叶片的迎角大于180°，则在第二运行模式中，与第一运行模式相比，风力转子可相对于风向沿相反方向定向。

进一步可替代地，相对于风向沿相反方向定向可以用以下方式限定。当且仅当在第二运行模式中，风导致风力转子在与第一运行模式相反的方向上转动，则在第二运行模式中，与第一运行模式相比，风力转子可相对于风向沿相反方向定向。风力转子的旋转方向可以相对于由风力涡轮机的机舱和/或发电机确定的参考系来限定。

发电机“被构造成产生电力”的特征可仅要求发电机的转子相对于发电机的定子旋转。还可需要在发电机的输出端处提供电能。可能需要在输出端处以能够被馈入电网和/或被供应至补充的电源的形式来提供电能。为此，由发电机产生的电能可以例如由电力电子设备调节。

如上所述的风力涡轮机和运行风力涡轮机的方法可能是有利的，因为与传统的水平轴风力涡轮机相比，即使风力涡轮机相对于风未对准，这种水平轴风力涡轮机也可以仍然是可运行的。例如，逆风风力涡轮机可被定向为顺风并且仍然能够产生一些能量，或者顺风风力涡轮机可被定向为逆风并且仍然能够产生一些能量。总体地，上述的风力涡轮机能够在相对于风向的任何定向上产生能量，除非转子平面近乎平行于风向。

在未对准的定向上产生的电力可以用于为补充的电源充电，对于补充的电源，与传统的风力涡轮机相比，较小的容量就足够了。即使风力涡轮机与电网断开连接，所产生的电力也可以用于维持风力涡轮机的基本功能，例如维持通信系统、维持内部环境、向维护设备提供电力、向安全灯和/或信标提供电力以及控制风力涡轮机的方向（特别是偏航定向）。这在不利的天气条件下可能特别有用，例如，如果风速对于风力涡轮机的正常运行来说太高或太低。在由于技术问题（例如系统故障）所致或者由于用户命令所致的风力涡轮机的正常运行已经中止的情况下，这可能更有用。

根据本发明的实施例，在第二运行模式中，发电机为补充的电源产生电力，特别是仅为补充的电源而不为电网产生电力。“补充的电源”可以是位于风力涡轮机中或附近的电源。补充的电源可以是能量存储系统。补充的电源可以包括电池，特别是可充电电池，或者氢燃料电池。该电池可以使用在第一运行模式和/或第二运行模式中产生的电力进行充电。类似地，使用在第一运行模式和/或第二运行模式中产生的电力，通过水解可以补充用于燃料电池的氢储存。在第二运行模式中，发电机可以仅在特定时间段期间或总是为补充的电源产生电力。

这种实施例可能是有利的，因为补充的电源可用于维持风力涡轮机的基本功能，特别是当风力涡轮机与电网断开连接时。由补充的电源供应的电力可以例如用于维持风力涡轮机的通信系统、维持内部环境（例如运行除湿器）、向维护设备提供电力，向安全灯和/或信标提供电力，和/或控制风力涡轮机的方向。

根据本发明的另外的实施例，补充的电源（特别是与和补充的电源连接的电线相结合）被构造成为调节风力涡轮机叶片的桨距角和调节偏航角中的至少一者提供电力。可以调整叶片的桨距角，以便控制风力转子的角速度、作用在风力转子上的扭矩和由发电机产生的功率中的至少一者。

这种实施例可能是有利的，因为它可以允许相对于风向对风力涡轮机（特别是风力涡轮机的转子和/或叶片）进行定向。对风力涡轮机进行定向可允许在第一运行模式和/或第二运行模式中运行风力涡轮机。对风力涡轮机进行定向可允许在第一运行模式和/或第二运行模式中优化由发电机进行的发电。因此，风力涡轮机能够在第一运行模式和/或第二运行模式中维持补充的电源的足够能量含量。

根据本发明的另外的实施例，在第一运行模式中，发电机为电网产生电力。电网可以是电气网（electrical grid）或电力网（power grid）。电网可以是从风力涡轮机和其他电源向消费者输送电力的网络。电网可以包括高压输电线路以在长距离上输送电力。此外，在第一运行模式中，发电机也可以为补充的电源产生电力。在第一运行模式中，发电机可以总是为电网和/或补充的电源产生电力，或者仅在相应的时间段期间为电网和/或补充的电源产生电力。

如果第一运行模式是正常运行模式，其中风力涡轮机可被优化用于向电网提供电力，并且第二运行模式是恢复或安全运行模式，其中风力涡轮机在不利条件下的基本功能可被维持，则这种实施例可能是有利的。

在替代实施例中，发电机被构造成在第二运行模式中为电网产生电力。

根据本发明的另外的实施例，第二运行模式是反向运行模式，其中与第一运行模式相比，风力涡轮机的风力转子和/或与发电机联接的轴沿相反的方向转动。该方向可以是相对于由风力涡轮机的发电机和/或机舱给出的参考系限定的旋转方向。齿轮箱可以被构造成使得转子以相反的方向转动，而与发电机直接连接的轴在两种运行模式中以相同的方向转动。

这种实施例可能是有利的，因为传统的风力涡轮机无法以如上所述的反向运行模式运行。为了设计能够在反向模式中运行的风力涡轮机，必须克服各种技术偏见，例如关于由发电机产生的功率的调节，或者关于在反向运行期间传动系统部件（例如轴承或齿轮）上的特定应力。

在替代实施例中，转子叶片的桨距角可以是可调节的，使得风力转子和/或与发电机联接的轴在第一运行模式中和在第二运行模式中都以相同的方向转动。

在替代实施例中，风力转子的叶片的迎角在第一运行模式中小于180°，且在第二运行模式中大于180°。

根据本发明的另外的实施例，在给定风速下，特别是在给定风速和给定叶片的桨距角下，风力转子在第一运行模式中的扭矩大于风力转子在第二运行模式中的另外的扭矩，特别地，风力转子在第一运行模式中的扭矩是风力转子在第二运行模式中的另外的扭矩的至少两倍大。风力转子（尤其是风力转子的叶片）可以针对与第二运行模式相反的第一运行模式进行空气动力学设计。叶片的桨距角可以是可调节的，以控制两种运行模式中的扭矩。这种实施例可能是有利的，因为可以在空气动力学特性相对较差的运行模式中产生电力。

在替代实施例中，在给定风速下，特别是在给定风速和给定叶片的桨距角下，风力转子在第一运行模式中的角速度大于风力转子在第二运行模式中的另外的角速度，特别地，风力转子在第一运行模式中的角速度是风力转子在第二运行模式中的另外的角速度的两倍大。

根据本发明的另外的实施例，在给定风速下，特别是在给定风速和给定叶片的桨距角下，由发电机在第一运行模式中产生的功率大于由发电机在第二运行模式中产生的功率，特别地，由发电机在第一运行模式中产生的功率是由发电机在第二运行模式中产生的功率的至少两倍大。风力转子可以针对与第二运行模式相反的第一运行模式进行空气动力学设计。如果第一运行模式是正常运行模式，其中电力可以主要为电网产生，而第二运行模式是恢复或安全运行模式，其中可能主要需要相对较少的电力来维持风力涡轮机的基本功能，则这种实施例可能是有利的。

根据本发明的另外的实施例，第一运行模式是逆风运行模式，且第二运行模式是顺风运行模式。逆风运行模式可以是这样的运行模式，其中，风力转子逆风定向。顺风运行模式可以是这样的运行模式，其中，风力转子顺风定向。如果风力涡轮机是逆风风力涡轮机，这种实施例可能是有利的。逆风风力涡轮机可能是有利的，因为对于顺风风力涡轮机来说，来自风的载荷会随着叶片经过支撑塔架而发生变化。载荷的这种变化会对涡轮机造成损坏。

在替代实施例中，风力涡轮机是逆风风力涡轮机。

根据本发明的另外的实施例，第一运行模式是顺风运行模式，且第二运行模式是逆风运行模式。如果风力涡轮机是顺风风力涡轮机，这种实施例可能是有利的。顺风风力涡轮机可能是有利的，因为与逆风风力涡轮机相比，它们可能不需要额外的机构来维持它们与风成一直线。此外，顺风风力涡轮机的叶片能够被允许在强风中弯曲，从而减小扫掠面积并因此减小风阻。

在替代实施例中，风力涡轮机是顺风风力涡轮机。

根据本发明的另外的实施例，运行风力涡轮机的方法还包括借助于在第二运行模式中产生的电力来对风力转子进行定向。所产生的电力可以存储在补充的电源中，并且所存储的能量可以对风力转子进行定向。对风力转子进行定向可包括调节叶片的桨距角和调节偏航角中的至少一者。例如，如果第二运行模式是安全或恢复运行模式，其可能需要对风力转子进行定向以维持安全构造或用于恢复，则这种实施例可能是有利的。即使存储在补充的电源中的能量不足，也可能需要对风力转子进行定向。

根据本发明的另外的实施例，对风力转子进行定向包括对风力转子进行定向以使得风力涡轮机在第一运行模式中是可运行的。在该定向之前，风力转子可以被定向成使得风力涡轮机在第一运行模式中是不可运行的。在该定向之前，风力转子可以被定向成使得风力涡轮机在第二运行模式中是可运行的。风力涡轮机可以在该定向之前和/或该定向期间与电网断开连接。

如果第二运行模式是恢复运行模式，该恢复运行模式倾向于在不利事件（例如过高的风力、过低的风力、系统故障和/或用户命令）之后将风力涡轮机返回到第一运行模式中的正常运行，则这种实施例可能是特别有利的。

因此，该实施例可以为以上背景技术部分中所描述的第一个问题提供特别有效的解决方案。在逆风风力涡轮机无法运行的时间段期间（例如由于风力过高、过低、系统故障或用户命令），风力涡轮机控制器可以停止偏航以节约能量。如果运行的可能性恢复，与此同时风力涡轮机主要定向成顺风定向，并且能量存储系统的能量含量不足以偏航到逆风定向并恢复运行，则风力涡轮机将开始顺风运行，以便恢复能量存储系统的能量含量。当能量存储系统的能量含量足够高时，风力涡轮机将停止顺风运行，偏航到逆风定向，并恢复正常的逆风运行。

根据本发明的另外的实施例，对风力转子进行定向包括对风力转子进行定向以使得风力涡轮机在第二运行模式中仍然是可运行的。当风向改变时，风力涡轮机可以在第二运行模式中仍然是可运行的。在不利的天气条件下，特别是在大风中，风力涡轮机可以在第二运行模式中仍然是可运行的。

这种实施例可能是有利的，特别是如果第二运行模式是用于诸如大风的不利条件的安全运行模式。其可允许将风力涡轮机保持在安全模式中，而与此同时不利条件一直存在。

因此，该实施例可以为以上背景技术部分中所描述的第二个问题提供特别有效的解决方案。在离网时，逆风风力涡轮机可以放置成顺风定向，目的是在极端风力事件（例如飓风或台风）期间降低高结构载荷的可能性。为了避免补充的电源的耗尽，风力涡轮机将在顺风时运行，并产生足以维持补充的电源的能量含量的电力。当风速在被认为对于运行而言是安全的范围内时，这种顺风运行将继续。一旦不再希望风力涡轮机处于顺风定向，则顺风运行将停止，并且涡轮机可偏航到逆风定向并恢复正常的逆风运行。

根据本发明的另外的实施例，风力涡轮机与电网断开连接，与此同时，风力涡轮机处于第二运行模式中和/或对转子进行定向。这种实施例可能是有利的，因为当来自电网的能量不可用于风力涡轮机时，上文描述的运行风力涡轮机的方法可能特别有用。

在替代实施例中，在第二运行模式中运行风力涡轮机包括为风力涡轮机的补充的电源产生电力。

在替代实施例中，在第二运行模式中，为维护通信系统、维护内部环境（特别是运行除湿器）、向维护设备提供电力、向安全灯和/或信标提供电力以及控制风力转子的定向中的至少一者而产生电力。

已经参考装置类型的权利要求描述了一些实施例，而参考方法类型的权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中了解到，除非另有说明，否则该文献公开了与方法类型权利要求相关的特征和与装置类型权利要求相关的特征的任何组合。

本发明的上述方面和其他方面基于下文将描述的实施例的示例而是显而易见的，并且参照实施例的示例进行解释。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的在第一运行模式中运行的风力涡轮机。

图2示出了在第二运行模式中运行的图1的风力涡轮机。

图3示出了根据本发明示例性实施例的风力涡轮机在逆风运行模式中的转子叶片轮廓。

图4示出了在顺风运行模式中运行的图3的转子叶片轮廓。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元件具有相同的附图标记。为了清楚性和可理解性，其附图标记已经在先前的图中被提供的那些特征的附图标记有时被省略。

在将参考附图更详细地描述示例性实施例之前，将基于已经开发的本发明的示例性实施例总结一些基本考虑因素。

水平轴风力涡轮机通常被构造用于逆风运行。特别是通过偏航，风力涡轮机可以有意地将其自身定向到顺风定向，或者它可以在不运行时由于风向的改变而到达顺风定向。

当处于顺风定向中时，风力涡轮机将主动调节叶片桨距定向，以便在与正常旋转方向相反的旋转方向上旋转风力涡轮机的转子，即，从风力涡轮机本身的参考系来看是反向的。

在风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓的迎角大于180度的情况下，在这种构造中可以产生扭矩。在给定风速下产生的扭矩量将比在相同风速下正常逆风运行时产生的扭矩量低得多，但仍足以产生少量的电力。

转子叶片的桨距控制被用于调节转子的转速并适应风速的变化。在风向改变的情况下，涡轮机将发生偏航，以维持转子顺风的定向。

风力涡轮机的发电机将从旋转的转子中提取出能量。可能的是，产生的电力的相序颠倒。由发电机产生的电力将由电力电子设备进行控制，使得其可用于输出给消耗者（例如电网或其他）。

在本发明的优选实施例中，风力涡轮机配备有能量存储系统。该能量存储系统可被使用，与此同时风力涡轮机离网，以便为涡轮机提供电力以维持其通信系统，维持其内部环境（例如，运行加湿器），向维护设备、安全灯和信标提供电力，以及在极端天气情况下控制偏航定向。

通过在正常的逆风定向中或顺风定向中运行，风力涡轮机能够维持能量存储系统的能量含量。

因此，设计用于正常逆风运行的风力涡轮机也可以用于顺风运行。众所周知，涡轮机可以被设计为逆风或顺风运行，然而，设计为在某一定向中运行的水平轴风力涡轮机迄今为止仅在该一个定向中运行。

当在顺风定向中向后运行转子时，只可能产生少量的电力。这是因为当向后旋转时，转子的空气动力学性能非常差。然而，随着能量存储系统在风力涡轮机中的使用越来越多，为了维持这些系统的能量含量，即使产生少量的电力也是有用的。

此外，风力涡轮机中电力电子设备使用的增加使得能够调节由风力涡轮机发电机产生的电力。这使得即使在与正常方向相反的方向上运行，风力涡轮机也能够以正确的相序向电网或能量存储系统输出电力。

最后，风力涡轮机的反向运行可能会对风力涡轮机的传动系统部件（即轴承、齿轮等）产生应力。然而，如果由发电机从转子提取的扭矩量非常低（例如对于被设计用于多兆瓦功率的涡轮机来说为数十到数百千瓦），则可以避免这种情况，因此对传动系统部件的影响可以忽略不计。

与在顺风定向中运行“通常逆风”的涡轮机相反，同样的解决方案可以应用于允许“通常顺风”的涡轮机在逆风定向中运行。例如在类似于在以上背景技术部分中所描述的第一个问题的情况下，这对于这种涡轮机将会是有益的。

图1示出了根据本发明示例性实施例的风力涡轮机100。风力涡轮机100包括具有叶片的风力转子101，这些叶片在转子平面105内沿旋转方向107转动。转子平面105的表面法线106从风力转子101指向风力涡轮机100的机舱106。风力涡轮机100被构造成在第一运行模式中和在第二运行模式中运行。在这种情况下，第一运行模式是逆风运行模式，其中转子从风力涡轮机100的塔架103逆风布置，并且其中表面法线106与来风104对齐并与来风104指向相同的方向。

风力涡轮机100的发电机机械地联接到风力转子101并且可以布置在机舱102中，该发电机被构造成在第一运行模式中和在第二运行模式中都产生电力。在第二运行模式中，与第一运行模式相比，风力转子101相对于风向104沿相反方向定向。因此，第二运行模式可以是顺风运行模式，如图2所示。

图2示出了在第二运行模式中运行的图1的风力涡轮机。在这种情况下，第二运行模式是顺风运行模式，其中转子从风力涡轮机100的塔架103顺风布置，并且其中表面法线106与来风104对齐并指向与来风104相反的方向。与图1中描绘的逆风运行模式相比，在顺风运行模式中，转子平面105中的旋转方向107相对于由机舱102和位于机舱102中的发电机108确定的参考系是相反的。

图3示出了逆风运行模式中的转子叶片轮廓306的空气动力学性能。x₁轴线定向成在表面法线106的方向上垂直于转子平面105，而x₂沿着转子平面105。V₁表示进入和引入的风速104的组合速度，且V₂是叶片轮廓穿过风场的线速度。因此，V_e是相对于转子平面以角度

（phi）起作用的合成相对风速。

β（beta）表示转子叶片306的桨距角，而

（kappa）表示叶片306在轮廓横截面位置处的“预扭曲”。

（alpha）是叶片轮廓306相对于相对风向的迎角。由风和叶片轮廓的运动产生的合力p_L和p_D分别是升力和阻力。

在正常运行中，叶片轮廓306产生足够的升力，使得在旋转V₂方向上的合力为正。这产生了对于发电而言有用的转子扭矩。

图4示出了在顺风运行模式中的图3的转子叶片轮廓306的空气动力学性能。在顺风运行模式中，与在逆风运行模式中类似地可以产生和控制转子扭矩。与图3中所描绘的逆风运行模式相比，对于相似的速度V₁，速度V₂将低得多，并且桨距角β将需要更大。此外，迎角α现在大于180度。

在这种构造中，阻力p_D相对于升力p_L将会是大的，但是它将主导性地在垂直于转子平面105的方向上，而小的升力p_L将会更加与转子平面105对齐，且因此在转子上产生少量的旋转扭矩。

最后，相对于风力涡轮机的坐标轴而言，与逆风定向相比，旋转方向V₂现在在顺风运行定向上是相反的。因此，在该模式期间，转子的旋转被认为是反向的。

根据需要，能够通过主动调节桨距角β来控制转子的旋转速度，以产生更多或更少的扭矩。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”的使用不排除多个。此外，针对不同实施例描述的元件可以组合。还应该注意的是，权利要求中的附图标记不应该被理解为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1. 一种风力涡轮机（100），其包括：

风力转子（101）；和

发电机（108），所述发电机（108）机械地联接到所述风力转子（101）；

其中，所述风力涡轮机（100）被构造成在第一运行模式中和在第二运行模式中运行，其中，在所述第二运行模式中，与所述第一运行模式相比，所述风力转子（101）相对于风向（104）沿相反方向定向；

其中，所述风力涡轮机（101）的所述发电机（108）被构造成在所述第一运行模式中和在所述第二运行模式中都产生电力。

2.根据前一项权利要求所述的风力涡轮机（100），其特征在于，在所述第二运行模式中，所述发电机（108）为补充的电源产生电力。

3.根据前一项权利要求所述的风力涡轮机（100），其特征在于，所述补充的电源被构造成为调节所述风力涡轮机（100）的叶片（306）的桨距角和调节偏航角中的至少一者提供电力。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机（100），其特征在于，在所述第一运行模式中，所述发电机（108）为电网产生电力。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机（100），其特征在于，所述第二运行模式是反向运行模式，在所述反向运行模式中，与所述第一运行模式相比，所述风力涡轮机（100）的所述风力转子（101）和/或与所述发电机（108）联接的轴沿相反方向（107）转动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机（100），其特征在于，在给定风速下，所述风力转子（101）在所述第一运行模式中的扭矩大于所述风力转子（101）在所述第二运行模式中的另外的扭矩，特别地，所述风力转子（101）在所述第一运行模式中的扭矩是所述风力转子（101）在所述第二运行模式中的另外的扭矩的至少两倍大。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机（100），其特征在于，在给定风速下，由所述发电机（108）在所述第一运行模式中产生的功率大于由所述发电机（108）在所述第二运行模式中产生的功率，特别地，由所述发电机（108）在所述第一运行模式中产生的功率是由所述发电机（108）在所述第二运行模式中产生的功率的至少两倍大。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机（100），其特征在于，所述第一运行模式是逆风运行模式，且所述第二运行模式是顺风运行模式。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的风力涡轮机（100），其特征在于，所述第一运行模式是顺风运行模式，且所述第二运行模式是逆风运行模式。

10. 一种运行风力涡轮机（100）的方法，所述方法包括：

在第二运行模式中运行所述风力涡轮机（100）；和

在第一运行模式中运行所述风力涡轮机（100）；

其中，在所述第二运行模式中，与所述第一运行模式相比，风力转子（101）相对于风向（104）沿相反方向定向；

其中，所述风力涡轮机（100）的机械地联接到所述风力转子（101）的发电机（108）被构造成在所述第一运行模式中和在所述第二运行模式中都产生电力。

11.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

借助于在所述第二运行模式中产生的电力来对所述风力转子（101）进行定向。

12.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，对所述风力转子（101）进行定向包括：对所述风力转子（101）进行定向以使得所述风力涡轮机（100）在所述第一运行模式中是可运行的。

13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其特征在于，对所述风力转子（101）进行定向包括：对所述风力转子（101）进行定向以使得所述风力涡轮机（100）在所述第二运行模式中仍然是可运行的。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机（100）与电网断开连接，与此同时所述风力涡轮机处于所述第二运行模式中。

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