CN1606658A - 风力发电设备的预警系统 - Google Patents

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Abstract

如果希望风力发电设备获得较长的有效寿命，保护其不被毁坏、破坏或由其他原因引起的风力发电设备故障，依赖于各自的尺寸及功率设计，风力发电设备是相对昂贵的资金投入项目。同时，对于风力发电设备，总是希望其以最大可能的功率输出工作，以使其也尽可能实现最大数量的能量输出。这两个目标，也就是说一方面是长的有效寿命，另一方面是最高可能的能量输出，部分上是截然相反的关系，但是最终公认风力发电设备基本上也可部分地工作在超载范围内，以增加其能量输出，但是，同时这也将导致有效寿命的显著减少。如果与此比较，风力发电设备仅仅在很低的风速范围内工作，那么该设备无疑被保护的更好，但是从其能量输出的观点来说这是不充分的。本发明的目的是提供测量及保护风力发电设备免受破坏或环境因素引起风力发电设备故障的可能方式，但是同时仍然也能获得最大可能的能量输出。本发明进一步涉及具有SODAR系统的风力发电设备，所述SODAR系统被安装在所述风力发电设备的纵槽上并检测所述风力发电设备马达前部的区域。

Description

风力发电设备的预警系统
如果希望风力发电设备获得较长的有效寿命，保护其不被毁坏、破坏或由其他原因引起的风力发电设备故障，依赖于各自的尺寸及功率设计，风力发电设备是相对昂贵的资金投入项目。同时，对于风力发电设备，总是希望其以最大可能的功率输出工作，以使其也尽可能实现最大数量的能量输出。这两个目标，也就是说一方面是长的有效寿命，另一方面是最高可能的能量输出，部分上是截然相反的关系，但是最终公认风力发电设备基本上也可部分地工作在超载范围内，以增加其能量输出，但是，同时这也将导致有效寿命的显著减少。如果与此比较，风力发电设备仅仅在很低的风速范围内工作，那么该设备无疑被保护的更好，但是从其能量输出的观点来说这是不充分的。
本发明的目的是提供测量及保护风力发电设备免受破坏或环境因素引起风力发电设备故障的可能方式，但是同时仍然也能获得最大可能的能量输出。
所述目的通过具有权利要求1或权利要求2中说明的特征的发明实现。有利的发展在附属权利要求中说明。
本发明的实现不仅仅基于正如目前通过风力计测量风力发电设备的风况，而且基于将测量结果用于在风的方向上被排在第一风力发电设备后的风力发电设备上，因此如果需要时，例如当狂风或暴雨时，它们在所述狂风或暴雨击打所述风力发电设备前的适当时间的时刻实现扇叶设置角度的改变，那么，当狂风或暴雨击打所述风力发电设备时，载荷没有太大到其仍能引起破坏。
本发明的预警系统基本上是部分基于两个不同的方法，但是这两个方法也能够结合在一起，彼此补充。
一种可能性涉及安装所谓的SODAR系统(参见例子http：//aku100.physik.uni-oldenburg.de/Schallausbreitung/sodarl)到所述风力发电设备本身，优选地是安装到其纵槽上，例如在马达前部的前部轴心区域。这样的SODAR(声波探测和定域(Sonic Detection and Ranging))系统能够在风力发电设备前部的所需方向(风的方向)上三维探测风况(在线)。因而，如果SODAR系统被安装在风力发电设备的纵槽而且直接地朝向所述风力发电设备马达的前部的区域，那么将不需要任何后续的调节(因为SODAR系统常常与所述纵槽定位在主风向的方向上)，而且能够观测所述风力发电设备马达的前部的区域以确定是否有狂风或暴雨发生。
另外，所述SODAR系统基本上已在先被公知，但是迄今它们仅仅被固定地构建或以移动安装在拖车上的形式被运输，而且仅仅用于特定区域内的风速轮廓的一次性测量。
按照本发明，这样的SODAR系统被留在所述风力发电设备上而且不仅仅是固定地一次安装，因此当产生对风力发电设备有害的过载的狂风或暴雨靠近时，其在合适的时间被检测到并且所述马达叶片在先于所述狂风或暴雨击打所述风力发电设备的时间被适当地调节，使所述狂风或暴雨作用到风力发电设备上的载荷明显小于未调节马达扇叶时的载荷。
如果所述SODAR系统被安装在一个直立在风场中的风力发电设备(或多个)上，而且如果风力发电设备被直立在风场的边缘区域，靠近的风击打第一个设备，那么由所述SODAR系统测量的数据不仅能在设有SODAR系统的风力发电设备中被处理，而且更多的在风向上所有在该设有SODAR系统的风力发电设备后面的风力发电设备，这些设备上所述的狂风或暴雨或其他有害风况也通过，如果风力发电设备在风中合适地设置马达扇叶，将不会引起任何破坏，因而它们在狂风或暴雨或其他不利风况下是坚不可破的。
但是，就风场来说也可有可选择的预警系统的形式，如早先安装在风力发电设备上的风力计及载荷测量设备可不仅仅用于提供对于载有风力计或载荷测量设备的风力发电设备重要的数据，而且应用设有风力计的风力发电设备后面的风向。例如如果风力计测量非常高的风力，则对应的信息项目能被传送到相关风力发电设备后面所述风向上的更多的设备上，而且那些更多的设备也能如此在涉及危险载荷的有害风况发生前的适当时间调节马达扇叶，或可如此采用其他步骤，例如完全关闭设备，由有害风况引起的载荷，因而任何可能发生的破坏尽可能的轻微并且更好地可完全避免。
马达扇叶设置在风中通常意味着暴露在风中的马达扇叶的表面区域减少，并且在一些环境下其能导致电力输出的降低。但是在避免超载的情况下，如果这样的情况发生可能避免破坏，而且如果考虑风力发电设备的全部有效寿命，即使为使功率输出的临时减少水平很少最终许多超载情况将显著的减少整个设备的有效寿命，这样的不利影响也将被接受。
本发明的预警系统中的由一台风力发电设备测量的数据(风与载荷数据)也能被其他风力发电设备使用，在风场中各预先设定风力发电设备之间的通信网络，其中相关数据传输能被无线地或由有线系统实现，并且已知的网络技术可用于传输本身。
既然这样，数据通信也可以通过中央控制器的方式从一个设备到另一个设备。中央控制器能依次将关于在设备上测量的风况的信息项目传到风场的所有或已选择的风力发电设备(例如那些在已给设备的背风区中的)，并且/或者能依次提供所需的控制信号并将其传送到相应的风力发电设备。可以理解，构想一个SODAR及风力计测量探测程序的结合物，以使一方面能实现从一个设备到另一个设备的通信被，另一方面通过中央控制的方式得以存在信息冗余，例如允许错误校正。真实性检查也能被实现，例如以这样的方式实现将来自中央控制器的控制指令基于从一台设备传达到其他设备的风速或风向数据进行检查，且仅仅当建立真实性时执行。
可以理解，另一方面每台设备可基于设备间的通信数据在其自身的控制设备中实现适当的控制，且一中央控制装置执行相应的监控程序。
因为在风场中的单独的风力发电设备间的距离是不变的，所以基于已知的风速在不利风况发生时，可靠地(预先)计算什么时候有害风况，如狂风或暴雨，到达哪台设备是可能的。因此例如计算设备为了执行所需调节(与风力相关的马达扇叶的迎角)需要的风力速度相关的前置时间是可能的。可选地或附加地，可以引入一个用于前置时间的固定元件。
依赖于独立风力发电设备间的距离及风速产生的预警时间通常足够在适当的时间(节距速度在大约4度及8度每秒之间)内改变扇叶角度。
如上所述，确定在一台风力发电设备上测量的相关风况的信息项目的操作基本上可被作用在风场内所有风力发电设备上。可选的方式可以是依赖于风向的信息通信，这样为了至少将信息传达到直接在风力路径旁的设备，可提供扩展的角度。这个角度可再次被固定或依赖于风力方向上的波动被选择。
可以理解，在信息通信期间，除了完全的风速及风向数据，通信中也可存在更多的数据如发送及目标风力发电设备的身份识别、误差校正代码或类似的信息项目。
可对风力方向从如下方面进行特殊考虑，本地狂风经常发生，其具有基本上恒定的风向，仅仅(能)到达部分风力发电设备，因此，从乐观的输出角度看，实际上仅仅在这种狂风的方式下的风力发电设备也不得不通过适当的控制以使发生在其上的载荷尽可能的低。
图1所示为具有若干风力发电设备1的风场排布的例子，所述的每台风力发电设备1与中央处理器2相连接。由此，中央控制器可适当的处理单个设备上的测量数据并且也能为单个设备提供控制信号。
图2所示为通常的使用情况的例子。风3首先吹到特定设备4，其测量数据依次传到中央控制器或以其他方式(非中央控制器)传到其他设备。可认为撞击设备的风力也将击打设置于设备的直接背风区内的设备(窄阴影线)。但是对于扩展的角度也可能设置地更宽(宽阴影线)，借此形成一个较宽的“背风区”，以在使所有部分或全部落入阴影区域的设备处，第一设备的测量结果也能被用于控制所述第一设备背风区的更多的设备，以这样的方式，对更多设备的破坏不会发生并且其也因而根据第一设备测量结果的值被保护。
如所述，也可使用其它的控制概念代替控制器2。因而，例如，这样的控制概念也可以是在邻近的设备之间或特定区域的风力发电设备之间存在数据(无线电)连接，并且在这样的方式中，测量数据可无线交换而且在风力发电设备间没有设有中央控制器。
也可当一个特定的风力情况形成，例如在狂风的情况下，不仅仅明确地与被调节的相关设备，而且所有与该设备或该等设备直接接近的设备，都与被影响设备处于特定的地理关系中。例如图2所示的例子中，在风向上被影响的设备左侧及右侧的风力发电设备6。
如果图2所示的第一设备4配备有SODAR，那么，当狂风击打所述第一风力发电设备时，狂风可被测量并且在第一风力发电设备上设有适当程序以避免任何破坏。

Claims (15)

1.一种风力发电设备，其包括一SODAR系统，该SODAR系统安装在所述风力发电设备的纵槽上并检测所述风力发电设备马达前部的区域。
2.如权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于：所述SODAR优选地被安装在所述风力发电设备马达轴心处的区域中，优选地在所述风力发电设备马达平面的前部。
3.如前述权利要求中任一项所述的风力发电设备，其特征在于：所述SODAR测量所述马达前部的风况并且将相应的测量数据传输到所述风力发电设备的控制器，特别地，当不可预期的风况发生时，例如当狂风发生时，其依次适当地改变马达扇叶的迎角以保护整个设备免受有害的载荷及破坏。
4.一种在风场中保护风力发电设备的预警系统，其包括测量第一风力发电设备区域内的风况的元件，其中测量数据由一控制所述第一风力发电设备及/或另一个接近该风力发电设备的第二风力发电设备的控制装置处理，其中，所述控制涉及与风(间距)有关的马达扇叶迎角的特殊调节，且一有危及所述第一风力发电设备的风况被测量到就会发生所述迎角的调节。
5.一种风场，其包括若干如前述权利要求中任一项所述的风力发电设备，其特征在于：所述风场中首先处于风中的第一风力发电设备的测量数据被传送到至少一个在风向上位于所述第一风力发电设备后面的第二风力发电设备，并且在第一风力发电设备背风区中的第二风力发电设备基于关于第一风力发电设备区域中的风况的测量数据被控制。
6.一种控制一个或多个风力发电设备的方法，其特征在于：预期的风速检测被用于第一风力发电设备及所述风力发电设备的控制器，尤其是，马达扇叶的迎角依赖于已检测到的风速及/或风向。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：空间及/或临时的风速分布的检测，尤其对于检测所述风力发电设备或风力发电设备组的整个或当地区域内的阵风。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：通过设置在一组风力发电设备中一个或多个预先设定的风力发电设备处的装置进行风速的检测。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：每一单个的风力发电设备被控制在预定的与已检测的风速及/或风向相关的模式中。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：用于所述风力发电设备的控制指令由所述风力发电设备本身或通过一中央控制器产生。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：关于风况(风速、风向)的信息以无线或有线的方式在风力发电设备之间被传送。
12.一种风力发电设备，其包括用于检测风力发电设备区域内的风况的装置，其特征在于：通过一装置传送风速及/或风向信息到至少风场内更多的风力发电设备之一处，通过该装置从至少风场内更多的风力发电设备之一处接收风速及/或风向信息。
13.一种风力发电设备，其包括用于检测风况的装置，其特征在于：所述用于检测风速的装置和声波一起工作，优选地是在SODAR方式中与超声波一起。
14.如权利要求13所述的风力发电设备，其特征在于：所述用于检测风速的装置至少部分地被设置在所述风力发电设备纵槽的区域中。
15.如权利要求14所述的风力发电设备，其特征在于：所述用于检测风速的装置可三维地检测风速。
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