DK201700026Y4 - Apparatur til justering af yaw for en vindturbine - Google Patents

Abstract

Frembringelsen angår et apparatur til justering af yaw for en vindturbine, indrettet til montering på en vindturbine, omfattende et system til måling af vindretningen indrettet til, via et styresignal, at styre yaw-vinklen for vindturbinen baseret på vindretningen, og et vindfølersystem indrettet til at bestemme yaw-fejlen for vindturbinen, og organer til at modificere styresignalet basret på yaw-fejlen bestemt af vindfølersystemet.

Description

FREMBRINGELSENS OMRÅDE Nærværende frembringelse angår et apparatur til justering af yaw for en vindturbine samt en vindturbine.

BAGGRUND FOR FREMBRINGELSEN I en vindturbine er det essentielt at styre orienteringen af vindturbinerotoren i forhold til vinden, den såkaldte "yaw". En konventionel vindturbine har en nacelle, monteret på et tårn, hvor nacellen kan drejes passende imod vinden via et yaw system. Yaw er også kendt som azimuth. Nacellen har en generator, som via en aksel er forbundet med vindturbinerotoren, hvilket gør det muligt for yaw-drevet at passende styre orienteringen af rotoren. Den optimale funktion af vindturbinen opnås når rotorakslen er parallel med vindretningen, hvilket maksimerer udgangseffekten og/eller minimerer belastningerne. Hvis denne optimale position ikke opnås, udtrykkes det at turbinen har en "yaw-fejl". Yaw-fejlen udtrykkes som størrelsen af den vinkel, hvormed den afviger fra den optimale position.

Konventionelt er én eller flere vindfaner og/eller lydbaserede vindfølere placerede på vindburbinenacellen bag rotoren, hvor deres vindretningsmålinger i form af elektroniske signaler kommunikeres til vindturbinestyresystemet. Baseret på disse signaler aktiverer styresystemet yaw-drivmotoren og justerer turbinens yaw i overensstemmelse hermed. Mekaniske vindfaner og lydbaserede vindfølere kan anvendes og er kendt indenfor teknikken. Eksempler på den tidligere tekniks styresystemer og systemer til justering af yaw for en vindturbine er beskrevet i WO 2012/000513 A2, WO 2011/150942 A1, DE 10 2009 026372 A1, CA2 693 802 A1, EP 2 048 507 A2 og US 3011/101691 A1.

Positionen af vindfanerne og/eller lydbaserede vindfølere på nacellen bag vindturbinerotoren er langt fra ideel, eftersom disse vil måel vinden efter at den har passeret rotoren, når vindturbinen er i drift. Målingerne er derfor kraftigt påvirkede af den turbulens, som genereres af rotoren, samt af andre aerodynamiske virkninger forårsaget af nacellen. Yderligere kan bygninger, træer og nabovindturbiner i betydelig grad påvirke vindretningsaflæsningerne afhængigt af vindretningen. Dette betyder at vindfane- og/-eller lydbaserede vindfølere vil rapportere ukorrekt information til vindturbinestyresystemet og følgelig tilvejebringe en yaw fejl. Denne yaw fejl afhænger af adskillige faktorer, blandt disse; vindhastigheden, vindretningen, landskabet, udformningen af vindturbinen, udformningen af vindfanen og/eller lydbaserede vindfølere, samt vindtur-binestyresystemets yaw algoritme. Følgelig vil selv en korrekt kalibrering af vindfane og/eller lydbaseret vindføler, under i det mindste visse vindbetingelser, påføre en yaw fejl på vindturbinen og følgelig ikke bringe vindturbinen til at fungere optimalt.

RESUMÉ AF FREMBRINGELSEN I betragtning af den kendte teknik beskrevet ovenfor, er det et formål med nærværende frembringelse at tilvejebringe en indretning, som reducerer yaw-fejlen for en vindturbine, hvilket resulterer i reducerede belastninger og/eller mere produktion fra turbinen.

Dette formål kan opnås ved hjælp af et apparatur til justering af yaw for en vindturbine og tilpasset til montering på en vindturbine omfattende: en første føler til at bestemme en vindhastighed, hvilken første føler er monteret på en spinner på en rotor for vindturbinen, hvor en yaw-fejl bestemmes baseret på et udgangssignal fra den nævnte første føler, en anden føler, som udgør en vindfane eller en lydbaseret vindføler monteret på en nacelle bagved rotoren for vindturbinen til måling af en vindretning, hvilken vindretning kommunikeres til en vindturbinestyring som et elektronisk signal, og vindturbinestyringen tilvejebringer et styresignal til et yaw-drev for vindturbinen til justering af yaw for vindturbinen baseret på en tilstedeværelse af en yaw-fejl.

Et vindmålesystem kan, i et eksempel, forstås at være vindfølersystemet, som allerede eksisterer på vindturbinen, når nærværende frembringelse installeres. Hyppigt anvendes en mekanisk vindfane til at styre yaw for vindturbinen. Alternativt kan en lydbaseret vindføler anvendes til at bestemme vindretningen, idet sådanne følere er kendte indenfor teknikken.

Vindturbinen kan også anvende to eller flere systemer til måling af vindretningen med henblik på at bestemme vindretningen. Som et eksempel, kan vindturbinen have to vindfaner, hvor én kan fungere som reserve i tilfælde af fejl på den anden. Yderligere kan yaw-styresystemet anvende styresignalet fra begge vindfaner ved eksempelvis at anvende gennemsnitlig vindretning bestemt af vindfanerne.

Yderligere omfatter vindfølersystemet en LiDAR eller et spinner 30 anemometer. Dette er en fordel eftersom såvel en LiDAR (Light Detection and Ranging) og et spinner-anemometer tilvejebringer en mere præcis vindretning end de nacellemonterede vindfaner. Følgelig kan yaw-fejl information bestemmes. Således er det muligt at modificere styresignalet til vindturbine-yawsystemet, som resulterer i en justering af yaw for vindturbinen.

Vindfølersystemet kan fordelagtigt være et apparatur, som kan bestemme yaw-fejlen på stedet. Med henblik på at bestemme yaw-fejlen, kan vindfølersystemet være et system, som kan bestemme den faktiske vindretning i forhold til rotoren med en højere præcision end vindmålesystemet. Vindfølersystemet kan følgelig anvendes til at modificere styresignalet. I et eksempel vil vindfølersystemet måle vindretningen mere nøjagtigt end det allerede installerede system til måling af vindretningen og kan følgelig bestemme yaw-fejlen med en højere præcision.

Under opstart af vindturbinen kan det være fordelagtigt at have systemet til måling af vindretningen, eksempelvis en vindfane, til at udføre den indledningsvise yaw-styring og kun at have den foreliggende frembringelse til at justere yaw for en vindturbine, når vindturbinen er i drift. Således er en fjederbelastet mekanisme en simpel måde til at sikre at signalet er umodificeret når der er behov herfor, selv i tilfælde af en fejlfunktion for vindfølersystemet.

Den ovennævnte sikkerhedsforanstaltning kan også udføres via styresoftware, som styrer servomekanismen, således at systemet vender tilbage til den umodificerede tilstand til tilfælde af et specifikt signal eller fraværet af et signal.

LiDAR'er kan anvendes til at måle vindhastighed og retning foran vindturbinen i stedet for på nacellepositionen, hvor de eksisterende vindfaner for nuværende er placerede. Ud fra denne information kan yaw-fejlen bestemmes. En LiDAR genererer data ved at detektere hastigheden for partikler suspenderede i luftstrømningen og den beregner egenskaber for luftstrømningen baseret på disse data. Egenskaberne kan eksempelvis være vindhastighed og retning. Et eksempel på en LiDAR er omtalt i WO 2001/150942, hvortil der henvises til i hele dettes omfang.

Et spinneranemometer er omtalt i EP 1 733 241 B1, hvortil der henvises i hele dettes omfang. Spinneranemometeret kan have i det mindste én føler fastgjort til rotoren for vindturbinen og en vinkelføler, som kan bestemme vinkelpositionen for rotoren. Et kredsløb er så i stand til at konvertere relationen imellem udgangssignalet fra den i det mindste ene føler og udgangssignalet fra vinkelføleren, til hastigheden og retningen for vinden, som vindturbinen udsættes for. Således kan det bestemme vindturbinens yaw-fejl. I en udførelsesform omfatter vindfølersystemet en føler og en styring, hvor styringen er indrettet til at bestemme fejl i føleren, i hvilket tilfælde vindfølersystemet vil afslutte bevægelsen, rotationen eller modikationen af signalet fra vindmålesystemet. Fordelen er, at hvis fejl detekteres i vindsystemføleren, vender styresignalet fra vindmålesystemet tilbage til dettes oprindelige, ikke ændrede tilstand, hvor nærværende frembringelse ikke justerer og yaw for vindturbinen.

Ved en udførelsesform baserer organerne til modificering af styresignalet yderligere styresignalet på den effekt, som genereres på vindturbinen. At yderligere modificere styresignalet på basis af den effekt, som genereres af vindturbinen, eksempelvis effektkurven, har den fordel, at yaw for vindturbinen kan justetres endnu bedre, til at optimere den effekt, som genereres og/eller reducere belastningen.

Ved en udførelsesform baserer organerne til modificering af styresignalet yderligere styresignalet på meteorologiske data og/eller deformation af vindturbinen og/eller vibrationer i vindturbinen og/eller kompasretningen for vindturbinen. Meteorologiske data kan eksempelvis være tryk, temperatur, nedbør og/eller fugtighed. Meteorologiske data kan måles på eller i nærheden af vindturbinen. Deformation af vindturbinen kan måles ved hjælp af strain gauges på vindturbinen.

Eksempelvis strain gauges placeret på vindturbinen til måling af belastninger på tårnet og vingerne. Vibrationer i vindturbinen kan være lavfrekvente vibrationer, idet disse vibrationer ønskes minimerede eftersom disse kan være irriterende for mennesker og dyr. Kompasretningen kan anvendes som et mål for fysiske ændringer i landskabet eller konstruktioner, som ændrer vindegenskaberne. Eksempelvis, hvis en anden vindturbine eller et træ er placeret nord for vindturbinen, kan styresignalet modificeres, når vinden kommer fra nord, med henblik på at kompensere for vindforstyrrelser, som stammer fra vindturbinen eller træet. Én af fordelene ved at anvende ét eller flere af disse forskellige input, ud over yaw-fejlen, til at modificere styresignalet, er at belastningen på vindturbinen kan reduceres og/eller den effekt, som genereres af vindturbinen kan optimeres i højere grad.

Frembringelsen kan også betragtes som en vindturbine omfattende et apparatur til ændring af yaw for vindturbinen i overensstemmelse med frembringelsen.

BESKRIVELSE AF TEGNINGERNE Nærværende frembringelse vil i det følgende blive beskrevet mere detaljeret under henvisning til de medfølgende tegninger:

Fig. 1 et skematisk billede af en vindturbine.

Fig. 2 et skematisk billede af en udførelsesform ifølge frembringelsen.

Fig. 3 et skematisk billede af en vindturbine styret af en udførelsesform ifølge frem bringelsen.

DETALJERET BESKRIVELSE AF FREMBRINGELSEN

Fig. 1 viser en vindturbine 1 med et tårn 2 og en nacelle 3. På nacellen 3 er en rotor 4 monteret. Nacellen 3 er forbundet med tårnet 2 via yaw-drevet 5, som kan dreje nacellen 3 i det horisontale plan. Yaw-drevet 5 er en del af yaw-systemet, som omfatter en yaw-styreindretning, som styrer en motor og en bremsemekanisme.

Yaw-styreindretningen kan få indgangssignal fra vindturbinestyresystemet og/eller direkte fra vindfanen 6. Vindfanen 6 har en vinge 15, som vil ændre position i relation til vindretningen og en basis 12, som er forbundet med nacellen. I den udførelsesform, som er vist i fig. 1, er vindfanen 6 positioneret på nacellen 3 bagved rotoren 4 i forhold til vindretningen, når vindturbinen er i drift. Dette er den konventionelle position for en vindfane 6. Dette betyder også at vindfanen 6 er på læsiden i forhold til rotoren 4 og følgelig vil de ændringer og den forstyrrelse i vinden, som genereres af rotoren 4 påvirke vindfanen 6. Dette vil føre til en yaw-fejl for vindturbinen 1, hvilket betyder at rotoren 4 ikke er direkte rettet imod vinden. Under afprøvning af nærværende frembringelse blev det fundet, at de fleste vindturbiner har en yaw-fejl på imellem 5 og 20 grader.

Fig. 2 viser en del af en vindturbine 1 med et spinneranemometer. En føler 7, som kan bestemme vindhastigheden, er placeret på spinneren 8, idet føleren er forbundet med en spinneranemometerstyring 9. Så kan vindretningen bestemmes, baseret på informationen modtaget fra føleren 7 og en vinkelføler, som måler vinkelpositionen for spinneren 8 og/eller rotoren 4. Spinneranemometerstyringen 9 kan således beregne vindretningen på spinneren 8 og rotoren 4. Hvis vinden ikke rammer rotoren direkte frontalt, foreligger der en yaw-fejl og vindturbinen udnytter ikke den fulde kraft i vinden. Yderligere vil belastningerne på vindturbinen være unødvendigt store, hvilket vil slide på vindturbinen og reduceres dennes levetid.

Spinneranemometerstyringen 9 bestemmer om en yaw-fejl foreligger og sender så et signal til servostyringen 10. Servostyringen 10 styrer en servomekanisme 11, som kan dreje basis 12 på vindfanen 6. Servostyringen 10 sender så et signal til servomekanis-men 11, som drejer basis 12. Vingen 15 vil så ændre retning i forhold til basis 12. Dette vil blive detekteret af vindturbinestyringen 13 og et signal vil blive sendt til yaw-drevet 5, som vil ændre og passende justere yaw for vindturbinen 1.

Eksempelvis, hvis spinneranemometeret finder at vindturbinen er 10 grader afvigende, vil den dreje basis 10 grader i modsat retning, hvilket vil resultere i en aktivering af yaw-drevet, som vil dreje nacellen 10 grader imod vinden og placere rotoren således, at vinden vil indgribe med rotoren frontalt. Dette er illustreret i fig. 3.

Her har vindturbinen en yaw-fejl på 10 grader, illustreret som en difference på 10 grader imellem vinden (repræsenteret som en pil) og rotationsakslen for rotoren 4 på fig. 3a). Dette detekteres af spinneranemometeret og derfor drejes basis 12 10 grader. Det oprindelige indstillingspunkt 14 for vindfanen 6 på basis 12 drejes derfor 10 grader, som det kan ses i fig. 3b). Vindturbinestyringen 13 vil så detektere at yaw skal korrigeres, eftersom indstillingspunktet i forhold til vingen 15 er ændret, yaw-drevet 5 aktiveres og vindturbinen positioneres ved den nye yaw-vinkel, som det kan se i fig. 3 c). Når turbinen 1 er i en opstartsproces, vil data fra spinneranemometeret detektere og rapportere at rotoren 4 ikke roterer. Dette vil resultere i et signal til servostyringen 10, som informerer denne om, at denne skal nulstille vinfanen 6 til den oprindelige position. Dette skyldes at spinneranemometeret ikke korrekt kan bestemme vindretningen, når rotoren 4 ikke roterer. Hvis indstillingspunktet 14 ikke nulstilles, kan rotoren 4 eventuelt aldrig positioneres mod vinden og følgelig aldrig begynde at rotere. Det er følgelig foretrukkent at der foreligger en nulstillingsfunktion for servostyringen 10, som elektronisk eller mekanisk nulstiller vindfanen 6 (eksempelvis nulstiller indstillingspunktet på basis 12) til en ikke ændret tilstand, når vindturbinen 1 ikke er i drift eller en fejlmeddelelse modtages fra spinneranemometerstyringen 9. Yderligere kan servomekanismen 11 være begrænset til kun en vis grad af ændring af indstillingspunktet, hvis større justeringer af vindturbine yaw ikke er acceptable. Den kan f.eks. være begrænset til 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40 g rader forskydning af indstillingspunktet.

Selvom det ikke er vist i en figur, kan basis 12 også være fjederbelastet, således at når intet signal sendes til servomekanisme 11 eller en fejl i servosystemet forekommer, vender indstillingspunktet 14 tilbage til den oprindelige, ikke modificerede position for den oprindelige turbinevindfane (kan også betegnes neutral tilstand). Dette kan betragtes som en fejlsikker mekanisme for nærværende opfindelse, som sikrer at vindturbinen altid kan vende tilbage til at fungere som den oprindeligt blev installeret.

Der er ringe risiko for at indføre større belastninger på vindturbinen ved anvendelse af nærværende frembringelse. Tværtimod forventes belastningen på vindturbinen at blive reduceret når yaw sikrer en mere korrekt positionering af rotoren 4. I det ovenfor nævnte eksempel er vindfølersystemet et spinneranemometer.

En fagmand vil forstå at en LiDAR også kan anvendes til at bestemme vindretningen foran en vindturbine og følgelig forstå at spinneranemometeret kan erstattes med en LiDAR. Såvel nacellemonterede som jordpositionerede LiDAR'er er kendte og kan anvendes. I stedet for drejning af basis 12, som beskrevet ovenfor, kan frembringelsen også implementeres i en vindturbine ved at lade spinneranemometeret eller LiDAR'en (eller ethvert andet instrument, som kan bestemme yaw-fejlen) modificere signalet fra vindfanen 6 til vindturbinestyringen 13 eller et signal indvendigt i vindfanen 6. I stedet for at anvende en drejelig basis kan opfindelsen også implementeres ved anvendelse af andre mekaniske indretninger, som direkte påvirker og modificerer funktionen af de eksisterende turbinevindfaner. Et yderligere alternativ til at dreje basis på den eksisterende vindfane er således at påvirke vingen 15 direkte. Dette kan foretages ved eksempelvis at manipulere med den vind, som indgriber med vingen 15, eksempelvis ved hjælp af finner, som ændrer retningen af vinden eller en blæser, som kan påvirke vingen 15. Vingen 15 kan også forbindes med fjedre eller elastiske indretninger, som kan anvendes til at manipulere med vindfanen 6. Som endnu et yderligere alternativ kan frembringelsen foretage styringen af vindfanen 6, hvilket betyder at retningen for vingen 15 kan styres af signalet fra vindfølersystemet (eksempelvis spinneranemometer) og derved undlade at tage hensyn til den vind, som påvirker vingen 15.

Henvisningstalsliste: 1 vindturbine 2 tårn 3 nacelle 4 rotor 5 yawdrev 6 vindfane 7 føler 8 spinner 9 spinneranemometerstyring 10 servostyring 11 servomekanisme 12 basis 13 vindturbinestyring 14 sætpunkt 15 vinge

Claims (7)

1. Apparatur til justering af yaw for en vindturbine og indrettet til montering på en vindturbine omfattende: a) en første føler til bestemmelse af en vindhastighed, b) hvilken første føler er monteret på en spinner på en rotor for vindturbinen, c) hvor en yaw-fejl bestemmes baseret på et udgangssignal fra den første føler, d) en anden føler, som udgør en vindfane eller en lydbaseret vindføler monteret på en nacelle bagved den nævnte rotor for vindturbinen til måling afen vindretning, e) vindretningen kommunikeres til en vindturbinestyring som et elektronisk signal, og f) vindturbinestyringen tilvejebringer et styresignal til et yaw-drev for vindturbinen for justering af yaw for vindturbinen baseret på en tilstedeværelse af en yaw-fejl.

2. Apparatur ifølge krav 1, hvor den første føler er en vindhastighedsføler eller et anemometer.

3. Apparatur ifølge ethvert af de foregående krav, hvor vindretningen kommunikeres fra vindfanen til vindturbinestyringen.

4. Apparatur ifølge ethvert af de foregående krav, hvor styresignalet er en funktion af yaw-fejlen bestemt som en funktion af et udgangssignal fra den første føler.

5. Apparatur ifølge ethvert af de foregående krav, hvor den første føler er en trykføler.

6. Apparatur ifølge ethvert af de foregående krav, hvor, under en opstart af vindturbinen, vindfanen udfører indledningsvis yaw-styring.

7. Vindturbine omfattende en rotor og en nacelle, hvilken vindturbine yderligere omfatter: en første føler til bestemmelse af en vindhastighed, hvilken første føler er monteret på en spinner på en rotor for vindturbinen, en anden føler, som udgør en vindfane eller en lydbaseret vindføler monteret på nacellen bagved rotoren for vindturbinen til måling af en vindretning, idet vindretning kommunikeres til en vindturbinestyring som et elektronisk signal, og en styring til bestemmelse af en yaw-fejl baseret på et udgangssignal fra den første føler, og vindturbinestyringen tilvejebringer et styresignal til et yaw-drev for vindturbinen til justering af yaw for vindturbinen baseret på en tilstedeværelse af en yaw-fejl.