TW201402940A - 用於調整風力機之橫擺的裝置 - Google Patents

Abstract

本發明有關一用於調整風力機之橫擺的裝置，該裝置被設計成適用於安裝在風力機上，且包括一經由控制信號以用於測量該風向之系統，該系統被設計成適合基於該風向控制該風力機之橫擺角度；及風感應器系統，其被設計成適於決定該風力機之橫擺誤差；及機構，用以基於藉由該風感應器系統所決定之橫擺誤差來修改該控制信號。

Description

用於調整風車之偏向的裝置

本發明有關用於調整風力機之橫擺的裝置及方法。

於風力機中，其非常重要的是控制該風力機轉子關於該風之定向-也就是所謂的“橫擺”。傳統風力機具有一被安裝在塔架上之機艙，其中該機艙可經由一橫擺系統被適當地旋轉朝向該風。該橫擺亦被已知為方位角。該機艙具有一經由軸桿連接至該風力機轉子之發電機，能夠使該橫擺驅動器適當地控制該轉子之定向。該風力機之最佳性能係當該轉子軸桿為與該風向平行時所獲得，這使該功率輸出最大化及/或使該等負載最小化。如果此最佳位置未被獲得，該風力機被稱為具有一“橫擺誤差”。該橫擺誤差係被表示為其與該最佳位置脫離之角度的尺寸。

傳統上，一或多個風向標及/或聲速風感應器被放置在該轉子後方之風力機機艙上，其中作為電子信號之風向量測被傳達至該風力機控制系統。基於這些信號，該控制系統作動該橫擺驅動馬達及據此調整該風力機橫擺。機械式風向標及聲速風感應器能夠在所屬技術領域中被使用及係已知的。

在該風力機轉子的後方，該機艙上之風向標及/或聲速風感應器的位置係遠離理想的，因當該風力機係在操作中時，它們將在該風已 通過該轉子之後測量該風。該等量測因此係藉由自該轉子所產生之紊流、以及藉由用該機艙所造成之其他空氣動力效應所嚴重地影響。此外，視風向而定，建築物、樹木、及鄰近的風力機可顯著地影響該風向讀數。這意指該風向標及/或聲速風感應器將對該風力機控制系統報告不正確之資訊，且因此產生一橫擺誤差。此橫擺誤差視複數因素而定，在該等複數因素之中；風速、風向、地形、風力機之設計、風向標及/或聲速風感應器的設計、以及風力機控制系統橫擺演算法。

據此，至少在某些風狀態之下，甚至該風向標及/或聲速風感應器之正確校準將在該風力機上強加一橫擺誤差，且因此造成該風力機未最佳地執行。

考慮上面所述之先前技藝，本發明之一目的係提供一減少風力機之橫擺誤差的裝置，該橫擺誤差導致減少的負載及/或來自該風力機之更多生產量。

該目的能藉著一用於調整風力機之橫擺的裝置所達成，該裝置被設計成適用於安裝在風力機上，且包括一用於經由控制信號測量該風向之系統，該系統被設計成適合基於該風向控制該風力機之橫擺角度；及風感應器系統，其被設計成適於決定該風力機之橫擺誤差；及機構，用以基於藉由該風感應器系統所決定之橫擺誤差來修改該控制信號。

如此，其係可能修改至該風力機橫擺系統之控制信號，這導致該風力機之橫擺的調整。換句話說，本發明將操縱該傳統風力機橫擺系統進入改變該橫擺角度，而不會改變該橫擺控制系統，但僅只修改來自用 於測量該風向的系統之現存信號。

該風感應器系統可有利地為一裝置，其能現場決定該橫擺誤差。為了決定該橫擺誤差，該風感應器系統可為一系統，其能關於該轉子決定該實際風向，而比該風測量系統具有較高的精確度。該風感應器系統可因此被使用於修改該控制信號。

用於修改該控制信號之方法不會替代來自用以測量至該橫擺系統之風向的系統之控制信號，但僅只操縱或修改之。

於一範例中，該風感應器系統將比用以測量該風向之業已安裝的系統更正確地測量該風向，並可因此以高精確度決定該橫擺誤差。不馬上使用藉由該風感應器系統所測量之更精確的風向、並藉此接替用以測量該風向的系統之角色之理由，係關於風力機中之控制系統如何操作的資料不能總是可用的。如果不是不可能，此資訊之缺乏因此使得其係難以與該風力機橫擺系統直接地抵觸。此外，如果在該操作系統中之改變已被作成，來自該風力機製造廠之保證及責任可變得無用的。換句話說，用於與該現存裝置抵觸之需要能被保持在一最小值或完全被避免。

以此方式，本發明能被使用於最佳化業已在操作中之風力機的性能，而不會改變該風力機的操作系統或橫擺演算法。

較佳地係，用於測量該風向之系統包括一風向標或一聲速風感應器。機械式風向標時常被使用於控制該風力機之橫擺。另一選擇係，一聲速風感應器能被使用於決定該風向，此等感應器在該技藝中係已知。該風力機亦可使用二或更多用於測量該風向之系統，以便決定該風向。當作一範例，該風力機能具有二風向標，其中一風向標能於另一風向標故障 之案例中具有備用件之作用。此外，該橫擺控制系統能使用來自兩風向標之控制信號，譬如藉由使用由風向標所決定之平均風向。於一範例中，當本發明被安裝時，該風測量系統可被了解為業已存在該風力機上之風感應器系統。

較佳地係，用於修改該控制信號的機構包括用以移動或旋轉該系統之機構，而用以關於該風力機測量該風向。以此方式，其係可能經由該系統之移動或旋轉來修改該控制信號，用於以機械方式測量該風向，而不會改變該風力機的電子控制系統中之任何事物。這具有該優點，即其能被使用在任何風力機上，而不會與其控制系統或橫擺演算法直接地抵觸。於一範例中，此較佳具體實施例係在一風力機上藉由拆卸其風向標及將該風向標重新附接在一旋轉基座上所施行，其中該基座之旋轉被該風感應器系統所控制。

有利地係，用於移動或旋轉測量該風向用之系統的機構包括伺服機構，其有利於用以關於該風力機測量該風向的系統之移動或旋轉，該伺服構造較佳地係包括一馬達及/或致動器。伺服機構之使用係一簡單之方式，以旋轉或移動用於測量該風向之系統，且其係易於安裝。

於一具體實施例中，該伺服機構係彈簧加載式，且被設計成適於消除該控制信號因缺少一信號或來自該風感應器系統的特定信號之存在的修改。此具體實施例具有該優點，即如果該風感應器系統中之誤差發生，則該彈簧能將該風力機重新設定至用以測量該風向的系統之原始設定。此安全防範亦可被使用於避免該風感應器系統強加太大的風向標修改，這是不能接受的。此外，於該風力機之起動期間，其可為有利的是具 有用於測量該風向之系統、譬如風向標，以當該風力機係在操作中時，施行該最初之橫擺控制及僅只使本發明調整風力機之橫擺。如此，彈簧加載式機制係一簡單之方式，以確保該信號當需要時變得未修改，甚至在該風感應器系統之故障的案例中。

該等上面之安全防範亦可經由控制軟體被執行，該控制軟體控制該伺服機構，以致萬一為特定信號或缺少一信號，該系統係回復至該未修改的狀態。

於一具體實施例中，該風感應器系統包括LiDAR或整流罩風速計。這是一優點，因為LiDAR(光檢測與測距)及整流罩風速計兩者提供一比該機艙安裝式風向標更精密之風向。因此，橫擺誤差資訊能被決定。

LiDARs能於該風力機的前面而非在該機艙位置上被使用於測量該風速及方向，該等現存風向標目前坐落在此位置。由該資訊，該橫擺誤差能被決定。LiDAR藉由偵測懸浮在空氣流動中之微粒的速率產生資料，且其基於該資料計算該空氣流動之性質。該等性質可譬如為風速及方向中。LiDAR之範例被揭示於世界專利WO 2001/150942中，其係全部以引用的方式併入本文中。

整流罩風速計被揭示在歐洲專利EP 1733241 B1中，其係全部以引用的方式併入本文中。該整流罩風速計能具有被固定至該風力機之轉子的至少一感應器及一有角度的感應器，該等感應器能決定該轉子之角度位置。一電路接著能夠將該至少一感應器之輸出及該有角度感應器的輸出間之關係轉換成藉由該風力機所經歷之速率及風向。如此，其能決定該風力機橫擺誤差。

於一具體實施例中，該風感應器系統包括一感應器及一控制器，其中該控制器被設計成適於決定該感應器中之誤差，在該案例中，該風感應器系統將終止來自該風測量系統的信號之移動、旋轉或修改。該優點係如果誤差在該風系統感應器中被偵測，來自風測量系統的控制信號被回復至其原始、未被改變的狀態，在此本發明不會調整該風力機之橫擺。

於一具體實施例中，用於修改該控制信號之機構進一步以在藉由該風力機所產生之功率上的控制信號為基礎。為進一步修改基於藉由該風力機所產生之功率的控制信號，例如該功率曲線具有該風力機之橫擺能被甚至更好地調整的優點，以最佳化所產生之功率及/或減少該負載。

於一具體實施例中，用於修改該控制信號之機構進一步以氣象資料及/或該風力機的變形及/或該風力機中之震動及/或該風力機的主要方向上之控制信號為基礎。氣象資料可譬如為壓力、溫度、降水量、及/或溼度。該氣象資料能在該風力機上或於該風力機之附近被測量。該風力機之變形能藉由該風力機上之應變計所測量。譬如，應變計被定位在該風力機上，以測量塔架及葉片上之負載。該風力機中之震動可為低頻震動，這些震動可為想要是減到最小，因它們對人類及動物可為令人厭惡的事。該主要方向能被用作一用於該地形或結構中之物理變化的測量，該等物理變化改變該等風性質。譬如，如果另一風力機或樹木被定位在該風力機之北邊，不論該風何時正來自該北邊，該控制信號可被修改，以便補償源自該風力機或樹木之風災區。除了該橫擺誤差以外，當使用這些不同輸入的一或多個來修改該控制信號時，該等優點的其中一者係該風力機上之負載能被減少及/或藉由該風力機所產生之功率能被最佳化至一較大延伸 範圍。

本發明亦可被視為一風力機，其包括用以根據本發明變更該風力機之橫擺的裝置。

本發明亦有關用於調整風力機之橫擺角度的方法，其中風測量裝置控制該風力機之橫擺，且其中該控制下之橫擺角度係基於一藉由風感應器系統所決定之橫擺誤差來修改。以此方式，其係可能最佳化該風力機之性能。

根據該方法，風力機之橫擺能藉由電子地修改該控制信號或藉由機械地移動或旋轉該風測量裝置所調整。這些修改係簡單的，且不會改變或抵觸該風力機之現存控制系統。

有利地係，機械地移動或旋轉該風測量裝置能藉由一機件、較佳地係一伺服機構所促進。伺服機構之使用係簡單及相當容易安裝，且再者，其係相當廉價的。

該方法中之風感應器系統能藉由LiDAR或整流罩風速計之使用決定該橫擺誤差。LiDAR及整流罩風速計兩者能以較高精確度決定該風向，且因此當最佳化一風力機時係較佳的。該LiDAR可為以風力機為基礎或以地面為基礎。

其將被了解該方法能被設計成適於併入上面對於該裝置所給與之任何具體實施例。

當作另一選擇，本發明可被視為一用於調整該風力機之橫擺的裝置，其被設計成適用於安裝在風力機上，包括一風向標，該風向標包括一基座及一翼片；及被設計成適於控制該風力機之橫擺角度，並基於該 基座及該翼片上之設定點、被設計成適於決定該風力機之橫擺誤差的風感應器系統、及用以關於該風力機旋轉該基座的機構間之角度，基於藉由該風感應器系統所決定之橫擺誤差，據此能夠使該設定點關於該風力機可旋轉的位移。本發明之具體實施例能被設計成適於包含此文件中所敘述之具體實施例及/或較佳及/或有利特色的任一者。

當作另一選擇，本發明可被視為一用以調整風力機之橫擺的裝置，其被設計成適用於安裝在一風力機上，其中該裝置-藉由來自該風感應器系統之信號所導引-直接地妨礙業已被安裝在該風力機上之風測量系統的風向標或聲音測量機件之運動零件。本發明之具體實施例可被設計成適於包含在此申請案中所敘述之具體實施例或較佳及有利特色的任一者。

1‧‧‧風力機

2‧‧‧塔架

3‧‧‧機艙

4‧‧‧轉子

5‧‧‧橫擺驅動器

6‧‧‧風向標

7‧‧‧感應器

8‧‧‧整流罩

9‧‧‧整流罩風速計控制器

10‧‧‧伺服控制器

11‧‧‧伺服機構

12‧‧‧基座

13‧‧‧風力機控制裝置

14‧‧‧設定點

15‧‧‧翼片

本發明將在該下文中參考所附圖面被更為詳細地敘述：

圖1係風力機之概要視圖。

圖2係本發明之具體實施例的概要視圖。

圖3係藉由本發明的具體實施例所控制之風力機的概要視圖。

圖1顯示具有塔架2及機艙3之風力機1。轉子4被安裝在該機艙3上。該機艙3係經由該橫擺驅動器5連接至該塔架2，該橫擺驅動器5能於該水平面中旋轉該機艙3。該橫擺驅動5係該橫擺系統之一部份，其包括一橫擺控制裝置，該橫擺控制裝置控制一馬達及一斷開機件。該橫擺控制裝置能獲得來自該風力機控制系統及/或直接地來自該風向標6之 輸入。該風向標6具有一將關於該風向改變位置的翼片15、及一被連接至該機艙之基座12。於圖1所示之具體實施例中，當該風力機在運轉時，該風向標6在該轉子4後方關於該風被定位在該機艙3上。這是用於風向標6之傳統位置。這亦意指該風向標6係關於該轉子4在下風處，且因此藉由該轉子4所產生之風中的變化及動亂將影響該風向標6。這將導致該風力機1之橫擺誤差，意指該轉子4係不直接地迎風。於本發明之測試期間，其被發現大部分風力機具有於5及20度間之橫擺誤差。

圖2揭示具有整流罩風速計之風力機1的一部份。能決定該風速之感應器7被放置在該整流罩8上，該感應器被連接至整流罩風速計控制器9。接著該風向可基於由該感應器7及有角度的感應器所接收之資訊被決定，該有角度的感應器測量該整流罩8及/或該轉子4之角度位置。該整流罩風速計控制器9可如此計算在該整流罩8及該轉子4上之風向。如果該風未直接地迎頭撞擊該轉子，其中有一橫擺誤差，且該風力機不會使用該風之全力。此外，該風力機上之負載將為不需要地大，這將磨損該風力機及減少其壽命。

該整流罩風速計控制器9決定一橫擺誤差是否存在，且接著將一信號送至該伺服控制器10。該伺服控制器10控制一伺服機構11，該伺服機構11能旋轉該風向標6的基座12。該伺服控制器10接著將一信號送至該伺服機構11，該伺服機構11旋轉該基座12。該翼片15將接著關於該基座12改變方向。這將被該風力機控制裝置13所偵測，且一信號將被送至該橫擺驅動器5，該橫擺驅動器5將改變及適當地調整該風力機1之橫擺。

譬如，如果該整流罩風速計發現該風力機係離開10度，其 將於該相反方向中旋轉該基座10度，這將導致該橫擺驅動器之啟動，該橫擺驅動器將逆風旋轉該機艙10度，並放置該轉子，故該風將迎頭攻擊該轉子。這被說明在圖3中。其中，該風力機具有10度之橫擺誤差，被說明為該風(被表示為一箭頭)及圖3a上之轉子4的轉軸間之10度的差異。這是藉由該整流罩風速計所偵測，且因此該基座12被旋轉10度。該基座12上之風向標6的原始設定點14係因此旋轉10度，如在圖3b能被看見。當關於該翼片15之設定點被改變時，該風力機控制裝置13將接著理解該橫擺需要被校正，該橫擺驅動器5被作動，且該風力機被定位在該新的橫擺角度，如在圖3c能被看見。

當該風力機1係於一開動製程中時，來自該整流罩風速計之資料將感應及報告該轉子4不會旋轉。這將導致一至該伺服控制器10之信號通知其需要將該風向標6重新設定至該原始位置。這是因為當該轉子4未正旋轉時，該整流罩風速計不能適當地決定該風向。如果該設定點14不被重新設定，且該轉子4可絕未迎風地定位與接著絕未開始旋轉。其因此較佳的是於該伺服控制器10中有一重新設定功能，當該風力機1不在操作中或一誤差訊息係由該整流罩風速計控制器9所接收時，該伺服控制器將該風向標6(例如該基座12上之重新設定設定點)電子地或機械地重新設定至一未被改變的狀態。再者，如果該風力機橫擺之較大的調整為不可接受的，該伺服機構11能僅只被限制於某一程度之設定點變化。其譬如可被限制於5、10、15、20、25、30、40度之設定點位移。

雖然在圖面中未示出，該基座12亦可為彈簧加載式，以致當沒有信號被送至該伺服機構11或該伺服系統中之誤差發生時，該設定點 14係回復至該原始風力機之原始、未修改的位置(亦可被稱為中性狀態)。這能視為用於本發明之故障安全機件，其確保該風力機總是能被回復至如其原始被安裝般操作。

當使用本發明時，用於將較大負載導入在該風力機上有極小風險。反而，當該橫擺確保該轉子4之更正確的定位時，該風力機上之負載被期待為減少。

於該前述之範例中，該風感應器系統為整流罩風速計。該熟諳者將理解LiDAR亦可被使用於在風力機之前面決定該風向，且因此應了解該整流罩風速計可被替代LiDAR。機艙安裝式及地面定位式LiDARs兩者係已知及能被使用。

如上面所述，代替該基座12之旋轉，本發明亦可在風力機中藉由具有該整流罩風速計或LiDAR(或任何可決定該橫擺誤差之其他儀器)被施行，並修改由該風向標6至該風力機控制裝置13之信號或一在該風向標6內側之信號。

代替使用一旋轉之基座，本發明亦可藉由使用其他機械式裝置被施行，該等機械式裝置係直接地抵觸該現存風力機風向標之功能以及修改該現存風力機風向標之功能。對旋轉該現存風向標之基座的另一選擇係如此直接地影響該翼片15。這能被做成，例如藉由操縱攻擊該翼片15之風，譬如藉由改變該風向之鰭片、或可影響該翼片15之風扇。該翼片15亦可被附著至彈簧或彈性裝置，該等彈簧或彈性裝置能被使用於操縱該風向標6。當作又另一選擇，本發明能接替該風向標6之控制，意指該翼片15之方向可被來自該風感應器系統(例如該整流罩風速計)之信號所控制，並 藉此忽視作用於該翼片15上之風。

Claims (18)

1. 一種用於調整風力機之橫擺的裝置，該裝置被設計成適用於安裝在風力機上，且包括：-一系統，用於經由控制信號測量風向，該系統被設計成適合基於該風向以控制該風力機之橫擺角度；及-風感應器系統，其被設計成適於決定該風力機之橫擺誤差；及-機構，用以基於藉由該風感應器系統所決定之橫擺誤差來修改該控制信號。
2. 如申請專利範圍第1項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中用於測量該風向之系統包括一風向標或一聲速風感應器。
3. 如申請專利範圍第1至2項中任一項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中用於修改該控制信號的該機構包括用以移動或旋轉該系統之機構，而用以關於該風力機測量該風向。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中用於移動或旋轉測量該風向用之系統的機構包括一伺服機構，其有利於用以關於該風力機測量該風向的系統之移動或旋轉，該伺服機構較佳地係包括一馬達及/或致動器。
5. 如申請專利範圍第4項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中該伺服機構係彈簧加載式，且被設計成適於消除該控制信號因缺少一信號或來自該風感應器系統的特定信號之存在的修改。
6. 如申請專利範圍第1至2項中任一項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中該控制信號係電信號，且用以修改該控制信號之該機構係電子地 修改該信號。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中該風感應器系統包括LiDAR或整流罩風速計。
8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中該風感應器系統包括一感應器及一控制器，其中該控制器被設計成適於決定該感應器中之誤差，在該案例中，該風感應器系統將終止修改該控制信號。
9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中用於修改該控制信號之機構進一步以在藉由該風力機所產生之功率上的控制信號為基礎。
10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之用於調整風力機之橫擺的裝置，其中用於修改該控制信號之機構進一步以氣象資料及/或該風力機的變形及/或該風力機中之震動及/或該風力機的主要方向上之控制信號為基礎。
11. 一種風力機，包括根據申請專利範圍第1至10項之任一項的裝置。
12. 一種用於調整風力機之橫擺角度的方法，其中風測量裝置控制該風力機之橫擺，且其中被控制的橫擺角度係基於一藉由風感應器系統所決定之橫擺誤差來修改。
13. 如申請專利範圍第12項之用於調整風力機之橫擺角度的方法，其中橫擺角度係藉由電子地修改該控制信號而被修改。
14. 如申請專利範圍第12項之用於調整風力機之橫擺角度的方法，其中橫擺角度係藉由機械地移動或旋轉該風測量裝置而被修改。
15. 如申請專利範圍第14項之用於調整風力機之橫擺角度的方法，其中該移動或旋轉係藉由一機構、較佳地係一伺服機構所促進。
16. 如申請專利範圍第12至15項中任一項之用於調整風力機之橫擺角度的方法，其中該風感應器系統藉由LiDAR或整流罩風速計之使用來決定該橫擺誤差。
17. 如申請專利範圍第12至16項中任一項之用於調整風力機之橫擺角度的方法，其中該被控制的橫擺角度係基於藉由該風力機所產生之功率而被進一步修改。
18. 如申請專利範圍第12至17項中任一項之用於調整風力機之橫擺角度的方法，其中該被控制的橫擺角度係基於氣象資料及/或該風力機的變形及/或該風力機中之震動及/或該風力機的主要方向而被進一步修改。