DE602004001726T2

DE602004001726T2 - Windkraftanlage mit waagerechter Welle und Verfahren zur Messung des Aufwärtsströmungswinkels

Info

Publication number: DE602004001726T2
Application number: DE602004001726T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Yoshida
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: JP4434661B2; EP1508691A1; ES2270241T3; DE602004001726D1; US6993965B2; US20050034516A1; JP2005061963A; EP1508691B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windturbine mit horizontaler Achse und ein Verfahren zum Messen eines Aufwärtsströmungswinkels. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Windturbine und ein Verfahren gemäß der Definition in den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 7 bzw. 8.
Beschreibung des Stands der Technik
In den letzten Jahren sind Windturbinen mit horizontaler Achse in der Praxis in Gebrauch, um aus natürlichem Wind elektrische Energie zu gewinnen. Die Leistungsfähigkeit der Windturbinen mit horizontaler Achse wird durch eine Leistungskurve gezeigt, welche den Zusammenhang zwischen der Windgeschwindigkeit an der Nabe (der Windgeschwindigkeit in dem zentralen Rotationsbereich eines Rotors einer Windturbine mit horizontaler Achse) und der Energie (der Stromerzeugung) allgemein darstellt. Die Stromerzeugung, die direkt zu Rentabilität führt, wird auf der Basis der Leistungskurve und der Windgeschwindigkeit an der Nabe vorhergesagt, die im voraus durch Simulation abgeschätzt oder beobachtet wird.
Systeme für durch Wind erzeugte Elektrizität werden häufig in komplexer Topographie installiert. In einer solchen Topographie verändert sich die Windgeschwindigkeit nicht nur mit der Höhe vom Boden, sondern auch mit der horizontalen Position, und außerdem wird häufig ein Aufwärtsströmungswind erzeugt. Die Energieerzeugung und Konstruktionsbeschädigungen werden nicht nur von horizontalen Komponenten des Windes, sondern auch von vertikalen Komponenten beeinflußt. Deshalb ist es im Hinblick auf eine Verbesserung der Vorhersagbarkeit der Stromerzeugung bedeutungsvoll, die 3-D-Windgeschwindigkeit unter Berücksichtigung des "Aufwärtsströmungswinkels" zu messen.
3-D-Ultraschallanemometer und Pitot-Rohre sind als frühere Entwicklungen zum Messen der 3-D-Windgeschwindigkeit unter Berücksichtigung eines "Aufwärtsströmungswinkels" vorgeschlagen worden. (Siehe beispielsweise Kaijo Corp. "Measurement and Control System Business – Atmospheric Apparatus" [online] 1997, Kaijo Corp.) Bei den vorstehend beschriebenen 3-D-Ultraschallanemometern besteht jedoch das Problem, daß sie teuer und groß sind. Ein Anemometer zum Messen der Windgeschwindigkeit an der Nabe einer Windturbine mit horizontaler Achse muß robust sein, um selbst in einer relativ rauhen Umgebung ohne Wartung über lange Zeiträume zu bestehen, während 3-D-Ultraschallanemometer und Pitot-Rohre nicht unter Annahme einer solchen Betriebsumgebung hergestellt werden. Deshalb bestehen bei ihnen Vorbehalte hinsichtlich der Robustheit, und es mangelt ihnen an Zuverlässigkeit.
Ein Verfahren zum Überwachen von Windeigenschaften, das eine Detektiereinrichtung zum Detektieren von Windgeschwindigkeiten in einem Gebiet aufweist, in dem sich die Windturbine befindet, ist in der US-A-5 646 343 beschrieben. In diesem Dokument sind verschiedene Ausführungsformen offenbart, wobei die Detektoren räumlich regelmäßig über einen Landstrich verteilt sind, um Windgeschwindigkeiten zu messen.
Die Detektoren können an mechanischen Stützeinrichtungen, die auf dem Boden stehen, oder an Ballonen angebracht sein, die mit einem Gas befüllt sind, das leichter als Luft ist, und in einer geeigneten Höhe über dem Boden schweben, um entsprechende Meßdaten zu liefern, die anschließend in einem Computer verarbeitet und zur Steuerung solcher Windturbinen genutzt werden.
Das Dokument befaßt sich mit verschiedenen Möglichkeiten, eine geeignete Menge an Meßdaten aus dem entsprechenden räumlichen Gebiet zu erhalten, schenkt jedoch dem Aufwärtsströmungswinkel des Windes in bezug auf eine Windturbine keine Beachtung und sagt nichts über die Konstruktion der Detektoren als solche aus.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorhersagbarkeit der Stromerzeugung kostengünstig und mit hoher Zuverlässigkeit zu verbessern, indem eine Messung des "Aufwärtsströmungswinkels" des Windes gegen einen Rotor einer Windturbine mit horizontaler Achse erreicht wird.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch eine Windturbine mit horizontaler Achse gemäß der Offenbarung in Anspruch 1 auf zufriedenstellende Weise gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Windturbine sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein Verfahren zum Messen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Windturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Ansprüchen 7 bzw. 8 angegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die horizontale Platte an der Aufwindseite des zentralen Rotationsbereichs (der Nabe) des Rotors angeordnet. Das erste Anemometer ist in einer oberen Position der Aufwindseite der horizontalen Platte angeordnet, wo die horizontale Platte eine geringere Wirkung hat. Das zweite Anemometer ist in einer unteren Position der horizontalen Platte angeordnet. Wenn ein Aufwärtsströmungswind (ein Wind unter dem Plus-Aufwärtsströmungswinkel) gegen die Nabe bläst, wird deshalb die von dem zweiten Anemometer gemessene Windgeschwindigkeit aufgrund der Wirkung der horizontalen Platte höher als die von dem ersten Anemometer gemessene Windgeschwindigkeit.
Wenn dagegen ein Abwärtsströmungswind (ein Wind unter dem Minus-Aufwärtsströmungswinkel) gegen die Nabe bläst, wird die von dem zweiten Anemometer gemessene Windgeschwindigkeit aufgrund der Wirkung der horizontalen Platte geringer als die von dem ersten Anemometer gemessene Windgeschwindigkeit. Das heißt, es besteht eine konstante Beziehung zwischen der Differenz (oder dem Verhältnis) zwischen der von dem ersten Anemometer gemessenen Windgeschwindigkeit und der von dem zweiten Anemometer gemessenen Windgeschwindigkeit und dem Aufwärtsströmungswinkel.
Es ist möglich, den Aufwärtsströmungswinkel mittels eines Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereichs auf der Basis der Differenz (oder des Verhältnisses) zu messen, die aus den von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer gemessenen Windgeschwindigkeiten erhalten wird, indem die Beziehung genutzt wird. Infolgedessen kann der Aufwärtsströmungswinkel kostengünstig und mit hoher Zuverlässigkeit ohne die Verwendung einer teuren Einrichtung kontinuierlich gemessen werden.
Ferner ermöglicht aufgrund der Verwendung von zwei Anemometern bei einem Ausfall eines der Anemometer das andere Anemometer die Messung der Windgeschwindigkeit für Steuerungszwecke. Außerdem kann, um die Redundanz eines Anemometers zu gewährleisten und um die Abschaltzeit einer Windturbine zu verkürzen, ein Verlust bei der Energieerzeugung in der Abschaltzeit reduziert werden.
Bei der Windturbine kann der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich folgendes aufweisen:
eine Windgeschwindigkeitsdifferenz-Recheneinheit zum Berechnen der Windgeschwindigkeitsdifferenz aus den Windgeschwindigkeiten, die von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer gemessen worden sind;
eine Aufzeichnungseinheit zum Aufzeichnen von Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigen; und
eine Aufwärtsströmungswinkel-Schätzeinheit zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Nutzung der Windgeschwindigkeitsdifferenz, die von der Windgeschwindigkeitsdifferenz-Recheneinheit berechnet worden ist, und der Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten, die in der Aufzeichnungseinheit aufgezeichnet worden sind.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung ist es möglich, die Windgeschwindigkeitsdifferenz auf der Basis der von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer gemessenen Windgeschwindigkeiten zu berechnen und den Aufwärtsströmungswinkel unter Nutzung der berechneten Windgeschwindigkeitsdifferenz und der Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten, welche die Beziehung zwi schen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigen, zu schätzen (messen).
Bei der Windturbine kann der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich folgendes aufweisen:
eine Windgeschwindigkeitsverhältnis-Recheneinheit zum Berechnen des Windgeschwindigkeitsverhältnisses aus den Windgeschwindigkeiten, die von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer berechnet worden sind;
eine Aufzeichnungseinheit zum Aufzeichnen von Windgeschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigen; und
eine Aufwärtsströmungswinkel-Schätzeinheit zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Nutzung des Windgeschwindigkeitsverhältnisses, das von der Windgeschwindigkeitsverhältnis-Recheneinheit berechnet worden ist, und der Windgeschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten, die in der Aufzeichnungseinheit aufgezeichnet worden sind.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung ist es möglich, das Windgeschwindigkeitsverhältnis auf der Basis der von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer gemessenen Windgeschwindigkeiten zu berechnen und den Aufwärtsströmungswinkel unter Nutzung des berechneten Windgeschwindigkeitsverhältnisses und der Windgeschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten, welche die Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigen, zu schätzen (messen).
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Messen des Aufwärtsströmungswinkels bei der Windturbine die folgenden Schritte auf:
Messen einer ersten Windgeschwindigkeit mit dem ersten Anemometer;
Messen einer zweiten Windgeschwindigkeit mit dem zweiten Anemometer;
Berechnen der Windgeschwindigkeitsdifferenz aus der bei der Messung der ersten Windgeschwindigkeit gemessenen ersten Windgeschwindigkeit und der bei der Mes sung der zweiten Windgeschwindigkeit gemessenen zweiten Windgeschwindigkeit;
und
Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Daten, die eine Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel und der bei der Berechnung berechneten Windgeschwindigkeitsdifferenz zeigen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Messen eines Aufwärtsströmungswinkels bei der Windturbine die folgenden Schritte auf:
Messen einer ersten Windgeschwindigkeit mit dem ersten Anemometer;
Messen einer zweiten Windgeschwindigkeit mit dem zweiten Anemometer;
Berechnen des Windgeschwindigkeitsverhältnisses aus der bei der Messung der ersten Windgeschwindigkeit gemessenen ersten Windgeschwindigkeit und der bei der Messung der zweiten Windgeschwindigkeit gemessenen zweiten Windgeschwindigkeit;
und
Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Daten, die eine Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel und dem bei der ersten Berechnung berechneten Windgeschwindigkeitsverhältnis zeigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Windturbine mit horizontaler Achse folgendes auf:
ein Trennelement, das in einer horizontalen Position angeordnet ist;
ein erstes Anemometer, das an der Aufwindseite des Trennelements angeordnet ist;
ein zweites Anemometer, das in einer unteren Position des Trennelements angeordnet ist; und
einen Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich zum Messen eines Aufwärtsströmungswinkels auf der Basis von von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer gemessenen Windgeschwindigkeiten,
wobei das eine von den zwei Anemometern über dem Niveau des Trennelements angeordnet ist und das andere unter dem Niveau des Trennelements angeordnet ist.
Bei der Windturbine kann das Trennelement ein plattenartiges Element sein.
Bei der Windturbine mißt der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich einen Aufwärtsströmungswinkel auf der Basis einer Differenz oder eines Verhältnisses zwischen Windgeschwindigkeiten, die von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer gemessen worden sind.
Bei der Windturbine kann der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich folgendes aufweisen:
eine Windgeschwindigkeitsdifferenz-Recheneinheit zum Berechnen einer Windgeschwindigkeitsdifferenz aus den Windgeschwindigkeiten, die von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer gemessen worden sind;
eine Aufzeichnungseinheit zum Aufzeichnen von Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigen; und
eine Aufwärtsströmungswinkel-Schätzeinheit zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Nutzung der Windgeschwindigkeitsdifferenz, die von der Windgeschwindigkeitsdifferenz-Recheneinheit berechnet worden ist, und der Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten, die in der Aufzeichnungseinheit aufgezeichnet worden sind.
Bei der Windturbine kann der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich folgendes aufweisen:
eine Windgeschwindigkeitsverhältnis-Recheneinheit zum Berechnen eines Windgeschwindigkeitsverhältnisses aus den Windgeschwindigkeiten, die von dem ersten Anemometer und dem zweiten Anemometer gemessen worden sind;
eine Aufzeichnungseinheit zum Aufzeichnen von Windgeschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigen; und
eine Aufwärtsströmungswinkel-Schätzeinheit zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Nutzung des Windgeschwindigkeitsverhältnisses, das von der Windgeschwindigkeitsverhältnis-Recheneinheit berechnet worden ist, und der Wind geschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten, die in der Aufzeichnungseinheit aufgezeichnet worden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Messen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Windturbine die folgenden Schritte auf:
Messen einer ersten Windgeschwindigkeit mit dem ersten Anemometer;
Messen einer zweiten Windgeschwindigkeit mit dem zweiten Anemometer;
Berechnen der Windgeschwindigkeitsdifferenz aus der bei der Messung der ersten Windgeschwindigkeit gemessenen ersten Windgeschwindigkeit und der bei der Messung der zweiten Windgeschwindigkeit gemessenen zweiten Windgeschwindigkeit;
Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Daten, die eine Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel und der bei der Berechnung berechneten Windgeschwindigkeitsdifferenz zeigen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Messen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Windturbine die folgenden Schritte auf:
Messen einer ersten Windgeschwindigkeit mit dem ersten Anemometer;
Messen einer zweiten Windgeschwindigkeit mit dem zweiten Anemometer;
Berechnen des Windgeschwindigkeitsverhältnisses aus der bei der Messung der ersten Windgeschwindigkeit gemessenen ersten Windgeschwindigkeit und der bei der Messung der zweiten Windgeschwindigkeit gemessenen zweiten Windgeschwindigkeit;
und
Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Daten, die eine Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel und dem bei der Berechnung berechneten Windgeschwindigkeitsverhältnis zeigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann aufgrund der Verwendung der zwei Anemometer (des ersten Anemometers und des zweiten Anemometers), die über und unter dem Niveau der horizontalen Platte angeordnet sind, der Aufwärtsströmungswinkel kostengünstig und mit hoher Zuverlässigkeit auf der Basis der Windgeschwindigkeits differenz oder des Windgeschwindigkeitsverhältnisses gemessen werden, die aus den von den beiden Anemometern gemessenen Windgeschwindigkeiten erhalten werden, und somit ist es möglich, zur Verbesserung der Vorhersagbarkeit der Stromerzeugung beizutragen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden genauen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur der Erläuterung dienen und infolgedessen keine Definition der Grenzen der vorliegenden Erfindung sein sollen; die Zeichnungen zeigen in:
1 ein Schema, das eine Windturbine mit horizontaler Achse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Perspektivansicht, welche die Konfiguration des Hauptbereichs der in 1 gezeigten Windturbine mit horizontaler Achse zeigt;
3 zeigt Korrelationsdaten einer Windgeschwindigkeitsdifferenz (ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Windgeschwindigkeitsdifferenz und einem Aufwärtsströmungswinkel zeigt), die in einem ROM der in 1 gezeigten Windturbine mit horizontaler Achse gespeichert sind;
4 zeigt Korrelationsdaten eines Windgeschwindigkeitsverhältnisses (ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und einem Aufwärtsströmungswinkel zeigt), die in einem ROM der in 1 gezeigten Windturbine mit horizontaler Achse gespeichert sind; und
5 ein Blockschaltbild, das eine Steuereinrichtung der in 1 gezeigten Windturbine mit horizontaler Achse zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Abwind-Windturbine 1 mit horizontaler Achse, die in 1 gezeigt ist, als ein Beispiel einer Windturbine mit horizontaler Achse verwendet.
Die Konfiguration der Windturbine mit horizontaler Achse gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend beschrieben. Wie die 1 und 2 zeigen, weist die Windturbine 1 mit horizontaler Achse folgendes auf: einen Turm 2; eine Gondel 3, die an dem Oberende des Turms 2 angebracht ist; eine Hauptwelle (nicht gezeigt), die sich in einer im wesentlichen horizontalen Richtung erstreckt und an der Gondel 3 schwenkbar abgestützt ist; einen Rotor 4, der an der Hauptwelle angebracht ist; einen Ausleger 5, der so angeordnet ist, daß er um eine vorbestimmte Distanz an der Aufwindseite der Gondel 3 vorsteht; ein erstes Anemometer 6, das an der oberen Seite des Außenumfangsteils der Aufwindseite des Auslegers 5 derart angebracht ist, daß seine drehbare Welle in einer im wesentlichen vertikalen Richtung liegt; ein Trennelement 7, das als ein plattenartiges Element ausgebildet sein kann, das an einem im wesentlichen zentralen Bereich in der Längsrichtung und an einem im wesentlichen zentralen Bereich in der Breitenrichtung des Auslegers 5 angeordnet ist; ein zweites Anemometer 8, das an dem Bereich unter dem Trennelement 7 des Auslegers 5 derart angebracht ist, daß seine drehbare Welle in einer im wesentlichen vertikalen Richtung liegt, sowie eine Steuereinrichtung 100 zur Integration und Steuerung der gesamten Windturbine mit horizontaler Achse.
Der Ausleger 5 ist ein langgestrecktes Element zum Haltern des ersten Anemometers 6, des Trennelements 7 und des zweiten Anemometers 8 an der Aufwindseite der Gondel 3 (siehe 1 und 2). Die Länge und der Durchmesser des Auslegers 5 sind in Abhängigkeit von der Größe und der Konfiguration der Gondel 3 der Windturbine 1 mit horizontaler Achse und von dem Gewicht des ersten Anemometers 6 und des zweiten Anemometers 8 angemessen bestimmt, und überdies ist es möglich, die Eigenfreqenz des Auslegers 5 zu berücksichtigen, um die Länge und den Durchmesser des Auslegers 5 zu bestimmen. Der Ausleger 5 kann aus metallischem Material, Kunstharz oder dergleichen bestehen.
Das erste Anemometer 6 und das zweite Anemometer 8 sind Drehanemometer, wobei eine Vielzahl von Schalen den gegen den zentralen Rotationsbereich des Rotors 4 der Windturbine 1 mit horizontaler Achse blasenden Wind einfangen und eine Windgeschwindigkeit aufgrund der Drehgeschwindigkeit gemessen wird. Der Typ des ersten Anemometers 6 und des zweiten Anemometers 8 ist nicht speziell beschränkt. Deshalb kann der herkömmlich verwendete Typ (beispielsweise der von Vaisala oder von Thies hergestellte Anemometertyp) verwendet werden.
Das Trennelement 7 ist ein Element zum Erzeugen einer Differenz zwischen einem Wert der von dem ersten Anemometer 6 gemessenen Windgeschwindigkeit und einem Wert der Windgeschwindigkeit, die von dem zweiten Anemometer 8 gemessen wird, wenn ein Aufwärtsströmungswind (oder ein Abwärtströmungswind) bläst. Die Dicke und die Größe sind in Abhängigkeit von der Länge und dem Durchmesser des Auslegers 5, der Größe des zweiten Anemometers 8 und der Gondel 3 und dergleichen angemessen bestimmt. Das Trennelement 7 kann aus metallischem Material, Kunstharz oder dergleichen bestehen.
Die Steuereinrichtung 100 führt folgende Operationen durch: einen Rechenprozeß, und zwar zum Berechnen einer Differenz (nachstehend als "Windgeschwindigkeitsdifferenz" bezeichnet) oder eines Verhältnisses (nachstehend als "Windgeschwindigkeitsverhältnis" bezeichnet) zwischen der von dem ersten Anemometer 6 gemessenen Windgeschwindigkeit und der von dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeit, sowie einen Aufwärtsströmungswinkel-Schätzprozeß zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Nutzung der Windgeschwindigkeitsdifferenz, des Windgeschwindigkeitsverhältnisses und vorbestimmter Korrelationsdaten und dergleichen, indem sie vorbestimmte Programme ausführt, um die vorstehend beschriebenen Prozesse durchzuführen.
Die Steuereinrichtung 100 weist eine CPU 101, ein ROM 102 und ein RAM 103 auf, wie in 5 gezeigt ist. Die CPU 101 führt den Rechenprozeß, den Aufwärtsströmungswinkel-Schätzprozeß und dergleichen mittels der Programme durch. Das ROM 102 speichert die Programme und die Korrelationsdaten, welche die Beziehungen zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel und zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel (die nachstehend beschriebenen Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten und Windgeschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten) zeigen.
Das RAM dient dem Zwischenspeichern von Ergebnissen in jedem Prozeß und dergleichen. Die Steuereinrichtung 100 ist ein Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Steuereinrichtung 100 ist als Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich wirksam, der eine Windgeschwindigkeitsdifferenz-Recheneinheit, eine Windgeschwindigkeitsverhältnis-Recheneinheit, eine Aufzeichnungseinheit und eine Aufwärtsströmungswinkel-Schätzeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Die Beziehung zwischen Werten der von dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8 der Windturbine 1 mit horizontaler Achse gemäß der vorliegenden Ausführungsform gemessenen Windgeschwindigkeit und den Aufwärtsströmungswinkeln wird unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben.
Das Trennelement 7 ist zwischen dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8 der Windturbine 1 mit horizontaler Achse angeordnet. Deshalb ergibt sich eine Differenz zwischen einem Wert der von dem ersten Anemometer 6 gemessenen Windgeschwindigkeit und einem Wert der von dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeit, wenn ein Aufwärtsströmungswind (oder ein Abwärtsströmungswind) bläst.
Konkret ausgedrückt, es wird dann, wenn ein Aufwärtsströmungswind (ein Wind unter einem Plus-Aufwärtsströmungswinkel) gegen den Rotor 4 bläst, die von dem zweiten Anemometer 8 gemessene Windgeschwindigkeit höher als die von dem ersten Anemometer 6 gemessene Windgeschwindigkeit, und zwar aufgrund der Wirkung des Trennelements 7, da das Trennelement 7 über dem zweiten Anemometer 8 angeordnet ist.
Wenn dagegen ein Abwärtsströmungswind (ein Wind unter dem Minus-Aufwärtsströmungswinkel) gegen den Rotor 4 bläst, wird die von dem zweiten Anemometer 8 gemessene Windgeschwindigkeit aufgrund der Wirkung des Trennelements 7 geringer als die von dem ersten Anemometer 6 gemessene Windgeschwindigkeit.
Somit ergibt sich eine bestimmte Beziehung zwischen folgenden: der Differenz zwischen der von dem ersten Anemometer 6 gemessenen Windgeschwindigkeit und der von dem zweiten Anemometer gemessenen Windgeschwindigkeit; und dem Aufwärtsströmungswinkel. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Daten, welche die Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel betreffen, und die Daten, welche die Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel betreffen, durch ein bodengestütztes Experiment, wie etwa ein Windkanalexperiment oder dergleichen im voraus erhalten.
Das Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel in 3 zeigt, kann für die Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten verwendet werden. In 3 ist auf der Vertikalachse die "Windgeschwindigkeit" aufgetragen, und auf der Horizontalachse ist der "Aufwärtsströmungswinkel (°)" aufgetragen. Werte der "Windgeschwindigkeit" der Vertikalachse in 3 sind Verhältnisse (dimensionslose Werte) der gemessenen Werte zu der Geschwindigkeit einer gleichförmigen Strömung vor der Windturbine.
Hier werden zwar die Verhältnisse zwischen der Geschwindigkeit der gleichförmigen Strömung und den gemessenen Werten verwendet; es ist jedoch schwierig, die Geschwindigkeit der gleichförmigen Strömung in einer gebauten Windturbine zu messen. Deshalb kann der gemessene Wert des ersten Anemometers 6 an der Vorderseite anstelle der Geschwindigkeit der gleichförmigen Strömung verwendet werden. Dabei wird eine Kurve I in 3 zu der Linie "Windgeschwindigkeit = 1 ".
Außerdem werden eine Kurve II und eine Kurve III zu Kurven, bei denen sich Werte der Windgeschwindigkeit unter dem Aufwärtsströmungswinkel von "0°" nicht ändern und Werte der Windgeschwindigkeit mit Ausnahme des Aufwärtsströmungswinkels von "0°" höher als die in 3 gezeigten Werte werden.
Die Kurve I in 3 ist gebildet durch Auftragen eines jeweiligen Punkts in einem Diagramm bei einem Wert der von dem ersten Anemometer 6 gemessenen Windgeschwindigkeit, und zwar jedesmal, wenn der Aufwärtsströmungswinkel "–15°", "0°", "15°" und "30°" ist, und durch Verbinden dieser Punkte mit einer Approximationskurve. Der Wert der von dem ersten Anemometer 6 gemessenen Windgeschwindigkeit ist innerhalb des Aufwärtsströmungswinkels von "–15° bis 15°" konstant.
Dagegen verringert sich allmählich der Wert der von dem ersten Anemometer gemessenen Windgeschwindigkeit mit der Zunahme des Aufwärtsströmungswinkels im Fall eines Aufwärtsströmungswinkels von mehr als "15°" (siehe 3). Der Grund dafür ist, daß die horizontale Komponente der Windgeschwindigkeit sich mit der Zunahme des Aufwärtsströmungswinkels verringert.
Die Kurve II in 3 ist gebildet durch Auftragen eines jeweiligen Punkts in einem Diagramm bei einem Wert der von dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeit, und zwar jedesmal, wenn der Aufwärtsströmungswinkel "–15°", "0°", "15°" und "30°" ist, und durch Verbinden dieser Punkte mit einer Approximationskurve.
Der Wert der von dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeit ist im Fall eines Minus-Aufwärtsströmungswinkels (d. h. im Fall eines Abwärtsströmungswinds) geringer als die von dem ersten Anemometer 6 gemessene Windgeschwindig keit (siehe 3). Der Grund dafür ist, daß ein Abwärtsströmungswind von dem Trennelement 7 blockiert wird.
Dagegen verringert sich der Wert der von dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeit kaum im Fall eines Aufwärtsströmungswinkels von mehr als "15°". Der Grund dafür ist, daß ein Aufwärtsströmungswind durch das Trennelement 7 in einen horizontalen Wind geändert wird.
Die Kurve III in 3 ist gebildet durch Auftragen eines jeweiligen Punkts in einem Diagramm bei einem Wert, der ein Wert der von dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeit minus einem Wert der von dem ersten Anemometer 6 gemessenen Windgeschwindigkeit (eine Windgeschwindigkeitsdifferenz) ist, und zwar jedesmal, wenn der Aufwärtsströmungswinkel "–15°", "0°", "15°" und "30°" ist, und durch Verbinden dieser Punkte mit einer Approximationskurve.
Da die Kurve III eine Korrelation zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel herstellt, kann der Aufwärtsströmungswinkel unter Verwendung der Kurve III geschätzt und die Windgeschwindigkeitsdifferenz aus der von dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeitsdifferenz berechnet werden. Beispielsweise wird der Aufwärtsströmungswinkel im Fall einer Windgeschwindigkeitsdifferenz von "0 m/s" auf "ungefähr 10°" geschätzt (siehe 3).
Das Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel in 4 zeigt, kann für die Windgeschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten verwendet werden. In 4 ist auf der Vertikalachse die "Windgeschwindigkeit" aufgetragen, und auf der Horizontalachse ist der "Aufwärtsströmungswinkel (°)" aufgetragen. Werte der "Windgeschwindigkeit" der Vertikalachse in 4 sind Verhältnisse (dimensionslose Werte) der gemessenen Werte zu der Geschwindigkeit einer gleichförmigen Strömung vor der Windturbine. Die Kurve I und die Kurve II in 4 sind die gleichen wie die Kurve I und die Kurve II in 3 (nur der Maßstab der Vertikalachse ist geändert).
Die Kurve IV in 4 ist gebildet durch Auftragen eines jeweiligen Punkts in einem Diagramm bei einem Wert, der ein Wert der von dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeit dividiert durch einen Wert der von dem ersten Anemometer 6 gemessenen Windgeschwindigkeit (ein Windgeschwindigkeitsverhältnis) ist, und zwar jedesmal, wenn der Aufwärtsströmungswinkel "–15°", "0°", "15°" und "30°" ist, und durch Verbinden dieser Punkte mit einer Approximationskurve.
Da die Kurve IV eine Korrelation zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel herstellt, kann der Aufwärtsströmungswinkel unter Verwendung der Kurve IV geschätzt und das Windgeschwindigkeitsverhältnis aus der von dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeit berechnet werden. Beispielsweise wird der Aufwärtsströmungswinkel im Fall eines Windgeschwindigkeitsverhältnisses von "1" auf "ungefähr 10°" geschätzt (siehe 4).
Nachstehend wird ein Verfahren zum Messen eines Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Windturbine 1 mit horizontaler Achse gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Zunächst wird eine Windgeschwindigkeit von dem ersten Anemometer 6 gemessen, das an dem Außenumfangsteil der Aufwindseite des Auslegers 5 angebracht ist (Schritt zum Messen der ersten Windgeschwindigkeit). Gleichzeitig wird eine Windgeschwindigkeit von dem zweiten Anemometer 8 gemessen, das in Abwärtsrichtung an dem unteren Bereich des Auslegers 5 unter der horizontalen Platte 7 angebracht ist (Schritt zum Messen der zweiten Windgeschwindigkeit).
Anschließend berechnet die Steuereinrichtung 100 der Windturbine 1 mit horizontaler Achse die Differenz (Windgeschwindigkeitsdifferenz) zwischen den von dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeiten (Schritt zum Berechnen der Windgeschwindigkeitsdifferenz).
Die Steuereinrichtung 100 schätzt den Aufwärtsströmungswinkel unter Verwendung der Kurve III des Diagramms (siehe 3), welche die Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigt, die in dem ROM 102 gespeichert ist, und der in dem Schritt zum Berechnen der Windgeschwindigkeitsdifferenz berechneten Windgeschwindigkeitsdifferenz (Schritt zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels).
Als Ersatz für den Schritt zum Berechnen der Windgeschwindigkeitsdifferenz kann das Verhältnis (das Windgeschwindigkeitsverhältnis) zwischen der von dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeiten berechnet werden (Schritt zum Berechnen des Windgeschwindigkeitsverhältnisses).
Dabei schätzt die Steuereinrichtung 100 den Aufwärtsströmungswinkel unter Verwendung der Kurve IV des Diagramms (siehe 4), welche die in dem ROM 102 gespeicherte Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigt, und des in dem Schritt zum Berechnen des Windgeschwindigkeitsverhältnisses berechneten Windgeschwindigkeitsverhältnisses (Schritt zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels).
Bei der Windturbine 1 mit horizontaler Achse gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das Trennelement 7 an der Aufwindseite des zentralen Rotationsbereichs (der Nabe) des Rotors 4 angeordnet. Das erste Anemometer 6 ist in einer oberen Position der Aufwindseite des Trennelements 7 angeordnet, wo das Trennelement eine geringere Wirkung hat, und das zweite Anemometer 8 ist in einer unteren Position des Trennelements 7 angeordnet.
Wenn ein Aufwärtsströmungswind (ein Wind unter einem Plus-Blaswinkel) gegen den Rotor 4 bläst, wird deshalb die von dem zweiten Anemometer 8 gemessene Windgeschwindigkeit aufgrund der Wirkung des Trennelements 7 höher als die von dem ersten Anemometer 6 gemessene Windgeschwindigkeit (siehe 3). Wenn dagegen ein Abwärtsströmungswind (ein Wind unter dem Minus-Aufwärtsströmungswinkel) gegen den Rotor 4 bläst, wird die von dem zweiten Anemometer 8 gemessene Wind geschwindigkeit aufgrund der Wirkung des Trennelements 7 geringer als die von dem ersten Anemometer 6 gemessene Windgeschwindigkeit (siehe 3).
Infolgedessen besteht eine konstante Beziehung zwischen der Differenz (der Windgeschwindigkeitsdifferenz) oder dem Verhältnis (dem Windgeschwindigkeitsverhältnis) zwischen den von dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeiten und dem Aufwärtsströmungswinkel.
Es ist möglich, den Aufwärtsströmungswinkel mit der Steuereinrichtung 100 auf der Basis der Differenz (oder des Verhältnisses) zwischen den von dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8 gemessenen Windgeschwindigkeiten durch Nutzung der Beziehung zu messen (schätzen). Infolgedessen kann der Aufwärtsströmungswinkel kostengünstig und mit hoher Zuverlässigkeit ohne Verwendung einer teuren Vorrichtung kontinuierlich gemessen werden.
Aufgrund der Verwendung von zwei Anemometern (dem ersten Anemometer 6 und dem zweiten Anemometer 8) ermöglicht ferner bei einem Ausfall des einen Anemometers das andere Anemometer die Messung der Windgeschwindigkeit für Steuerungszwecke. Außerdem kann, um die Redundanz eines Anemometers zu gewährleisten und um die Abschaltzeit einer Windturbine zu verkürzen, ein Verlust bei der Energieerzeugung in der Abschaltzeit einer Windturbine reduziert werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist zwar ein Beispiel gezeigt, bei dem "Drehanemometer" als erstes Anemometer 6 und als zweites Anemometer 8 verwendet werden; es ist jedoch auch möglich, "Winddruck-Anemometer", "Hitzdraht-Anemometer", "Ultraschall-Anemometer" oder dergleichen zu verwenden.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Anemometer in einer oberen Position der Aufwindseite der horizontalen Platte angeordnet, und das zweite Anemometer ist in einer unteren Position der horizontalen Platte angeordnet. Stattdessen kann das erste Anemometer in einer unteren Position der Aufwindseite der horizontalen Platte angeordnet sein, und das zweite Anemometer kann in einer oberen Position der horizontalen Platte angeordnet sein.
Außerdem kann bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Windgeschwindigkeitsdifferenz oder das Windgeschwindigkeitsverhältnis durch einen Wert ersetzt werden, der aus den Windgeschwindigkeiten mittels einer geeigneten Funktion, wie etwa einer Logarithmusfunktion oder einer geeigneten Kombination von Funktionen berechnet wird.

Claims

Windturbine mit horizontaler Achse, die Detektiereinrichtungen zum Detektieren von Windgeschwindigkeiten in einem Gebiet aufweist, in dem sich die Windturbine befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektiereinrichtungen folgendes aufweisen: – ein Trennelement (7), das in einer horizontalen Position angeordnet ist; – ein erstes Anemometer (6), das an der Aufwindseite des Trennelements (7) angeordnet ist; – ein zweites Anemometer (8), das in einer unteren Position des Trennelements (7) angeordnet ist; und – einen Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich (100) zum Messen eines Aufwärtsströmungswinkels auf der Basis von von dem ersten Anemometer (6) und dem zweiten Anemometer (8) gemessenen Windgeschwindigkeiten; – wobei das eine von den zwei Anemometern (6, 8) über dem Niveau des Trennelements (7) angeordnet ist und das andere unter dem Niveau des Trennelements (7) angeordnet ist.
Windturbine nach Anspruch 1, wobei das Trennelement (7) ein plattenartiges Element ist.
Windturbine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich (100) dazu ausgelegt ist, einen Aufwärtsströmungswinkel auf der Basis einer Differenz oder eines Verhältnisses zwischen Windgeschwindigkeiten zu messen, die von dem ersten Anemometer (6) und dem zweiten Anemometer (8) gemessen worden sind.
Windturbine nach Anspruch 1, wobei das Trennelement (7) eine horizontale Platte ist, die an der Aufwindseite eines zentralen Rotationsbereichs eines Rotors (4) angeordnet ist; wobei das erste Anemometer (6) in einer oberen Position der Aufwindseite der horizontalen Platte angeordnet ist; wobei das zweite Anemometer (8) in einer unteren Position der horizontalen Platte angeordnet ist; und wobei der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich (100) dazu ausgelegt ist, einen Aufwärtsströmungswinkel auf der Basis einer Windgeschwindigkeitsdifferenz oder eines Windgeschwindigkeitsverhältnisses zu messen, die aus Windgeschwindigkeiten erhalten worden sind, die von dem ersten Anemometer (6) und dem zweiten Anemometer (8) gemessen worden sind.
Windturbine nach Anspruch 4, wobei der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich (100) folgendes aufweist: – eine Windgeschwindigkeitsdifferenz-Recheneinheit (101) zum Berechnen der Windgeschwindigkeitsdifferenz aus den Windgeschwindigkeiten, die von dem ersten Anemometer (6) und dem zweiten Anemometer (8) gemessen worden sind; – eine Aufzeichnungseinheit (102) zum Aufzeichnen von Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigen; und – eine Aufwärtsströmungswinkel-Schätzeinheit (101) zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Nutzung der Windgeschwindigkeitsdifferenz, die von der Windgeschwindigkeitsdifferenz-Recheneinheit (101) berechnet worden ist, und der Windgeschwindigkeitsdifferenz-Korrelationsdaten, die in der Aufzeichnungseinheit (102) aufgezeichnet worden sind.
Windturbine nach Anspruch 4, wobei der Aufwärtsströmungswinkel-Meßbereich (100) folgendes aufweist: – eine Windgeschwindigkeitsverhältnis-Recheneinheit (101) zum Berechnen des Windgeschwindigkeitsverhältnisses aus den Windgeschwindigkeiten, die von dem ersten Anemometer (6) und dem zweiten Anemometer (8) gemessen worden sind; – eine Aufzeichnungseinheit (102) zum Aufzeichnen von Windgeschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel zeigen; und – eine Aufwärtsströmungswinkel-Schätzeinheit (101) zum Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Nutzung des Windgeschwindigkeitsverhältnisses, das von der Windgeschwindigkeitsverhältnis-Recheneinheit (101) berechnet worden ist, und der Windgeschwindigkeitsverhältnis-Korrelationsdaten, die in der Aufzeichnungseinheit (102) aufgezeichnet worden sind.
Verfahren zum Messen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Messen einer ersten Windgeschwindigkeit mit dem ersten Anemometer (6); – Messen einer zweiten Windgeschwindigkeit mit dem zweiten Anemometer (8); – Berechnen der Windgeschwindigkeitsdifferenz aus der in dem ersten Windgeschwindigkeits-Meßschritt gemessenen ersten Windgeschwindigkeit und der in dem zweiten Windgeschwindigkeits-Meßschritt gemessenen zweiten Windgeschwindigkeit; und – Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Daten, die eine Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeitsdifferenz und dem Aufwärtsströmungswinkel und der in dem Rechenschritt berechneten Windgeschwindigkeitsdifferenz zeigen.
Verfahren zum Messen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Messen einer ersten Windgeschwindigkeit mit dem ersten Anemometer (6); – Messen einer zweiten Windgeschwindigkeit mit dem zweiten Anemometer (8); – Berechnen des Windgeschwindigkeitsverhältnisses aus der in dem ersten Windgeschwindigkeits-Meßschritt gemessenen ersten Windgeschwindigkeit und der in dem zweiten Windgeschwindigkeits-Meßschritt gemessenen zweiten Windgeschwindigkeit; und – Schätzen des Aufwärtsströmungswinkels unter Verwendung der Daten, die eine Beziehung zwischen dem Windgeschwindigkeitsverhältnis und dem Aufwärtsströmungswinkel und dem in dem Rechenschritt berechneten Windgeschwindigkeitsverhältnis zeigen.