TW202138674A - 包含可變掃掠面積的風力渦輪機及控制風力渦輪機的方法 - Google Patents

包含可變掃掠面積的風力渦輪機及控制風力渦輪機的方法 Download PDF

Info

Publication number
TW202138674A
TW202138674A TW110108117A TW110108117A TW202138674A TW 202138674 A TW202138674 A TW 202138674A TW 110108117 A TW110108117 A TW 110108117A TW 110108117 A TW110108117 A TW 110108117A TW 202138674 A TW202138674 A TW 202138674A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
wind turbine
wind
swept area
control device
rotor
Prior art date
Application number
TW110108117A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI799804B (zh
Inventor
湯瑪斯 艾斯班森
古斯塔夫 何
卡斯帕 勞森
Original Assignee
丹麥商西門子歌美颯再生能源公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 丹麥商西門子歌美颯再生能源公司 filed Critical 丹麥商西門子歌美颯再生能源公司
Publication of TW202138674A publication Critical patent/TW202138674A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI799804B publication Critical patent/TWI799804B/zh

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/02—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving lift mainly from water displacement
    • B63B1/10—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving lift mainly from water displacement with multiple hulls
    • B63B1/107—Semi-submersibles; Small waterline area multiple hull vessels and the like, e.g. SWATH
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/44—Floating buildings, stores, drilling platforms, or workshops, e.g. carrying water-oil separating devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B39/00—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude
    • B63B39/02—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude to decrease vessel movements by displacement of masses
    • B63B39/03—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude to decrease vessel movements by displacement of masses by transferring liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F03D13/25—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors specially adapted for offshore installation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/028—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/44—Floating buildings, stores, drilling platforms, or workshops, e.g. carrying water-oil separating devices
    • B63B2035/4433—Floating structures carrying electric power plants
    • B63B2035/446—Floating structures carrying electric power plants for converting wind energy into electric energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • F03D7/048—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller controlling wind farms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/93—Mounting on supporting structures or systems on a structure floating on a liquid surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/20—Purpose of the control system to optimise the performance of a machine
    • F05B2270/204—Purpose of the control system to optimise the performance of a machine taking into account the wake effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/32—Wind speeds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

敘述一種風力渦輪機(100)，其包含塔架(130)、安裝在塔架(130)之頂部的機艙(160)、及相對機艙(160)可繞著旋轉軸線(107)旋轉地安裝且包含至少一個葉片(140)之轉子，其中葉片(140)當繞著旋轉軸線(107)旋轉時，其構造成跨越掃掠面積(200)；及控制裝置，其構造成控制致動器，以便移動掃掠面積(200)。

Description

包含可變掃掠面積的風力渦輪機及控制風力渦輪機的方法
本發明有關包含可變掃掠面積的風力渦輪機，及有關控制此風力渦輪機之方法。
風力渦輪機的最大功率輸出可為由貝茨定律所決定，其係由流經理想化之「致動器盤片」的氣流之質量及動量守恆原理得出，此理想化的「致動器盤片」係由風流提取能量。根據貝茲定律，渦輪機無法捕獲風動能之16/27(59.3%)以上。因數(factor)16/27已知為貝茲係數。實際上，實用規模的風力渦輪機可達成貝茲係數之約75–80%的最大值。貝茲係數是基於開盤片致動器。如果使用擴散器來將附加風流收集並引導至渦輪機，則可提取更多能量，但是其限制仍然適用於整個結構之橫截面。此外，使用擴散器覆蓋較大掃掠面積證明是昂貴且複雜的。
可能需要風力渦輪機及控制此風力渦輪機的方法，並提供更高效率之風力渦輪機。這可由根據獨立請求項的主題來滿足此需求。本發明係如附屬請求項中所闡述地進一步發展。
根據本發明之第一態樣，風力渦輪機包含：塔架；安裝在塔架的頂部之機艙；相對機艙可繞著旋轉軸線旋轉地安裝且包含至少一個葉片之轉子，其中葉片當繞著旋轉軸線旋轉時，其構造成跨越掃掠面積；及控制裝置，其構造成控制致動器，以便移動掃掠面積。移動掃掠面積可解釋為此掃掠面積係相對全球坐標系或全球參考點(例如，相對在海床的任何參考點)移動。
掃掠面積可動態地移動，用於改善之功率輸出。掃掠面積的足夠大之平移及旋轉提供增加的有效掃掠面積，並可基於預覽來最佳化。直接之優點是風場電力生產中的整體增加，其促成降低均化發電成本(LCOE)。
與傳統之固定不動的風力渦輪機相比，此風力渦輪機可為具有附加自由度之浮動風力渦輪機，其可利用來覆蓋較大的掃掠面積，以增加風力渦輪機及整個風力渦輪機風場之功率輸出。
如果掃掠面積足夠快地移動，則由於有效掃掠面積增加，風力渦輪機可顯著地獲得更多功率。原理是感應區會降低風速，以致如果覆蓋較大的掃掠面積，則理論上會增加轉子上之有效風速。其取決於軸向感應區相對此掃掠面積的移動速度多快地發展。
在一實施例中，控制裝置構造成基於至風力渦輪機之風的測量、估計或預測之速度來變更掃掠面積的移動。在一實施例中，控制裝置可構造成基於風速來設定移動掃掠面積之速度，其中當風速增加時，較佳地增加掃掠面積的移動速度，且當風速減小時，較佳地減小掃掠面積之移動速度。感應區通常在風力渦輪機的逆風(及順風)處存在固定數目之轉子直徑。於較高風速下，風更快地移動經過此區域，且藉此更快地建立此感應區，因此需要更高移動速度的掃掠面積。
在一實施例中，控制裝置構造成控制致動器，以便往復移動掃掠面積。藉由此測量，實現簡單之控制，同時可顯著地增加風力渦輪機的效率。
於一實施例中，掃掠面積係例如藉由平移運動及旋轉運動之至少一者、例如相對於全球參考點移動。
在一實施例中，風力渦輪機係包含將塔架安裝至其上的浮動船體之離岸風力渦輪機，其中，此船體係於海床經由第一繫泊索連接至第一固定點，且在海床經由第二繫泊索連接至第二固定點，其中致動器包含以移動掃描區域的方式，改變第一固定點與船體之間的第一繫泊索之長度、及第二固定點與船體之間的第二繫泊索之長度的至少一者的手段。
於一實施例中，風力渦輪機係包含浮動船體之離岸風力渦輪機，塔架係安裝至此浮動船體，其中致動器包含壓艙物控制系統，此壓艙物控制系統構造成以移動此掃掠面積的方式來移動壓艙物本體或船體內側之壓艙物流體。
在一實施例中，如果滿足以下條件的至少一項，則控制裝置構造成移動此掃掠面積：風力渦輪機在低於此風力渦輪機的額定輸出功率下操作；風力渦輪機係在另一風力渦輪機之尾流內；如果風速低於參考風速；如果由致動器所消耗以移動轉子的功率比風力渦輪機之實際輸出功率的第一預定比率小；及如果由致動器所消耗以移動轉子之功率比藉由移動掃掠面積所獲得的功率之第二預定比率小。例如，第一預定比率可為50%、25%或10%，且第二預定比率可為100%、75%或50%。考量到藉由移動掃掠面積200所獲得的(估計)功率可能具有一些波動，此第二預定比率提供一種滯後。
此控制策略考量合理之能量平衡。掃掠面積及轉子的移動需要能量效率，使得藉由避免尾流之衝擊而捕獲的額外功率應超過為此移動所使用之能量。這是控制策略的一部分，以僅當可能獲得能量增益時才啟動此移動。
於一實施例中，如果滿足以下條件之至少一項，則此控制裝置構造成使掃掠面積的移動減速或停止：如果由致動器所消耗以移動轉子之功率超過第一閾值；及如果由轉子的移動所造成之負荷參數、疲勞參數或不穩定性參數超過第二閾值。
此控制策略考量安全操作。掃掠面積及轉子移動必需具有負荷效率，由而應避免此移動造成過多的額外負荷。這是控制策略之一部分，以僅在負荷允許相同、例如不要驅動極端負荷或造成嚴重疲勞或不穩定性時才啟動掃掠面積移動。這可藉由線上監控負荷/加速度變數或藉由所設計的控制策略排定移動來實現。此外，移動同樣應考量風場邊界，此風場例如相對於進來之船、其他渦輪機及航行路線可為靜態或甚至動態的。
根據本發明之第二態樣，風場控制裝置構造成控制至少二個上述風力渦輪機。風場控制裝置連接到至少二個風力渦輪機的至少一個控制裝置。風場控制裝置構造成以至少二個風力渦輪機的其中一者之尾流係至少不連續地引導到至少二個風力渦輪機的另一者之方式來施行協調控制。例如，當二個風力渦輪機同步地移動時，風力渦輪機的其中一者可連續地處於另一風力渦輪機之尾流外側。在另一實施例中，二個風力渦輪機都可於相反方向中移動，以致風力渦輪機的其中一者可僅在短時間內處於另一風力渦輪機之尾流內側。
在此方法中，改變掃掠面積以避免另一風力渦輪機的尾流之影響。放置在風場內側的風力渦輪機經過它們之尾流相互作用。風力渦輪機的尾流是進來流動的能量提取之結果。尾流造成風速降低(亦已知為風虧)、及風速變動(亦稱為亂流)增加。這些現象導致風場的總電力生產減少，並導致下游風力渦輪機之負荷增加(下游風力渦輪機是可能產生尾流的前面風力渦輪機後面之渦輪機)。風力的減少是較低風速之直接結果，而藉由機械負荷的變動所造成之機械負荷的增加可為亂流之結果。
可協調或最佳化風場的風力渦輪機之掃掠面積的移動軌跡，以最大化風場等級(park level)之輸出功率。
例如，具有關於風場方向及風力渦輪機位置的資訊之控制系統可對風力渦輪機實施分散式控制策略(或個別設定點)，使得對它們進行控制以便最大化風場等級的輸出功率。對於逆風渦輪機，可以做此事，以協調與順風渦輪機之移動，以減小例如對於逆風及順風渦輪機的尾流之影響，以當逆風渦輪機完全處於順風渦輪機的尾流中時，同步地移動或在相反方向中移動。
根據本發明之第三態樣，提供控制風力渦輪機的方法。此風力渦輪機包含塔架、安裝於塔架之頂部的機艙、及相對此機艙可繞著旋轉軸線旋轉地安裝且包含至少一個葉片之轉子；其中此葉片當繞著旋轉軸線旋轉時，其構造成跨越掃掠面積。此方法包含例如相對全球參考點移動此掃掠面積的步驟。
必需注意，已參考不同之主題敘述本發明的實施例。尤其是，已參考設備類型請求項敘述一些實施例，而已參考方法類型請求項敘述其他實施例。然而，熟諳此技術領域者將由以上及以下敘述得出，除非另行通知，否則除了屬於一種類型之主題的特徵之任何組合以外，與不同主題有關的特徵之間的任何組合、尤其是設備類型請求項之特徵與方法類型請求項的特徵之間的任何組合亦被認為是如以本申請案所揭示者。
由下文將敘述之實施例的範例，本發明之以上界定的態樣及其他態樣變得顯而易見，並參考實施例之範例進行說明。於下文中，將參考實施例的範例更詳細地敘述本發明，但是本發明不限於此。
附圖中的說明係示意性。注意在不同圖面中，相似或完全相同之元件係設有相同的參考符號。
圖1顯示風力渦輪機100。風力渦輪機100包含機艙160及塔架130。機艙160安裝於塔架130之頂部。機艙160係藉著偏轉軸承相對塔架130可旋轉地安裝，以便建立機艙偏轉。機艙160相對塔架130的旋轉軸線係稱為偏轉軸線(參見參考符號104)。
風力渦輪機100亦包含具有例如三個轉子葉片140之轉子。每一葉片140通常可繞著葉片140的縱向軸線旋轉，以建立葉片140之期望的葉片節距或節距角。
轉子係藉著軸承相對機艙160可旋轉地安裝。轉子係繞著旋轉軸線107可旋轉地安裝。當葉片140遭受風111時，它們繞著旋轉軸線107與轉子一起旋轉。葉片140當繞著旋轉軸線107旋轉時跨越掃掠面積200。
再者，風力渦輪機100包含發電機。發電機容納於機艙160內。發電機係配置並製備好用於將來自轉子之旋轉能轉換成交流電形式中的電能。
風力渦輪機100是離岸風力渦輪機100，其包含將塔架130安裝至其上之浮動船體120。船體120漂浮在海114的海平面112上。船體120經由第一繫泊索151於海床113連接至第一固定點153，並經由第二繫泊索154在海床113連接至第二固定點156。第一繫泊索151於第三固定點152連接至船體120，且第二繫泊索154在第四固定點155連接至船體120。已安裝之離岸風力渦輪機100漂浮於水114中，且通常藉由繫泊索151固持在適當位置中，此繫泊索151使系統穩定或防止其漂移。
風力渦輪機100具有風力渦輪機100可於其中移動的六個獨立之自由度。亦即，沿著縱移軸線(surge axis)103、橫移軸線(sway axis)102、及起伏軸線(heave axis)101的三個平移隨同沿著浮舟滾動軸線(floater roll axis)106、浮舟俯仰軸線(floater pitch axi)105、及浮舟偏轉軸線(floater yaw axis)104之三個旋轉。
因此，繞著浮舟節距軸線105的節距不同於葉片節距，因為繞著浮舟節距軸線105之節距係浮動結構(例如塔架130或整個風力渦輪機100)繞著其旋轉點的旋轉，而葉片節距界定葉片140繞著其縱向軸線之受控節距角。此外，繞著浮舟偏轉軸線104的偏轉不同於機艙偏轉，因為繞著浮舟偏轉軸線104之偏轉係環繞浮動結構(例如塔架130或整個風力渦輪機100)的直立軸線之旋轉，而機艙偏轉係機艙160之偏轉，其可相對塔架130測量，並藉由風力渦輪機100主動地控制。
風力渦輪機100包含致動器(未示出)，此致動器構造成使塔架130或整個風力渦輪機100及因此掃掠面積200至少於沿著縱移軸線103、橫移軸線102、及起伏軸線101的三個平移之其中一者中移動，且在繞著浮舟滾動軸線106、浮舟俯仰軸線105及浮舟偏轉軸線104的三個旋轉中移動。為了實現本發明，其係不需移動整個風力渦輪機100，以便使掃掠面積200移動。如果僅藉由致動器移動轉子以便使掃掠面積200移動就足夠了。在下文中，本說明書有時候意指掃掠面積200或轉子之移動，即使整個風力渦輪機100係藉由致動器移動。
風力渦輪機100包含控制裝置(未示出)，其構造成控制致動器以例如沿著風力渦輪機100移動掃掠面積200。換句話說，致動器構造成為使掃掠面積200相對全球參考點移動。
於一實施例中，致動器可包含以使掃掠面積200移動的方式改變在船體120處的第一固定點153與第三固定點152之間的第一繫泊索151之長度、及在船體120處的第二固定點156與第四固定點155之間的第二繫泊索154之長度的至少一者之手段。
於另一實施例中，致動器可包含壓艙物(ballast)控制系統，其構造成以使掃掠面積200移動之方式在船體120內側移動壓艙物本體或壓艙物流體。然而，本發明可藉由能夠移動掃掠面積200的任何另一致動器來實現。
圖2顯示掃掠面積200之平移運動。掃掠面積200係沿著圖1中的橫移軸線102平移地運動。控制裝置較佳構造成控制致動器以使掃掠面積200來回往復移動。
圖3顯示掃掠面積200之旋轉運動。掃掠面積200係繞著圖1中的浮舟滾動軸線106旋轉。控制裝置較佳構造成控制致動器，以使掃掠面積200來回往復旋轉。
圖4顯示掃掠面積200之起伏運動。掃掠面積200係沿著圖1中的起伏軸線101平移地運動。控制裝置較佳構造成控制致動器，以使掃掠面積200來回往復移動。
移動個別風力渦輪機100之轉子，以變更掃掠面積200，致使比如果轉子將處於固定位置的情況，轉子由「擴展之」掃掠面積200捕獲更多風能。
如果轉子足夠快地移動，則風力渦輪機100可獲得風能，因為它覆蓋藉由轉子所掃掠的放大有效掃掠區域200。其原理是，感應區降低風速，因此，如果覆蓋較大之掃掠面積200，則可增加轉子上的有效風速。其取決於軸向感應區如何相對此掃掠面積之移動速度快速地發展。控制裝置可控制掃掠面積沿著轉子的此移動。例如，控制裝置可構造成基於風速來設定使掃掠面積200移動之速度，其中當風速增加時，較佳使掃掠面積200的移動速度增加，且當風速減小時，較佳使掃掠面積200之移動速度減小。
藉由上述控制策略，可在沒有渦輪機間的協調之情況下控制風力渦輪機100，這意指像獨立的渦輪機一樣。
如果滿足以下條件之至少一項，則控制裝置亦可構造成移動掃掠面積200：風力渦輪機100於風力渦輪機100的額定輸出功率以下操作；風力渦輪機100係在風力渦輪機100之額定輸出功率以下操作；風力渦輪機100處於另一風力渦輪機的尾流內(其中，可基於對應風力渦輪機之實際位置及風流動方向來決定尾流)；如果風速低於參考風速；如果由致動器所消耗以移動轉子的功率比風力渦輪機100之實際輸出功率的第一預定比率小；及如果由致動器所消耗以移動轉子之功率比藉由移動掃掠面積200所獲得的功率之第二預定比率小。這可為功率或風速的函數，並可預先或線上計算。例如，第一預定比率可為50%、25%或10%，且第二預定比率可為100%、75%或50%。考量到藉由移動掃掠面積200所獲得的(估計)功率可能具有一些波動，此第二預定比率提供一種滯後現象(hysteresis)。
考慮到藉由致動器所消耗以使轉子移動之功率的上述條件能夠實現最佳之能量平衡。轉子的移動必需為節省能源的，使得由減少尾流所捕獲之額外能量將超過使用於轉子移動的能量。此測量可為控制策略之一部分，以僅當可能獲得能量時才啟動轉子的移動。
控制裝置可構造成基於至風力渦輪機100之測量、估計或預測的風111之速度來變更掃掠面積200的移動。例如，可使用LIDAR(光檢測及測距)或雷達，以預先掃描進來之風場，且此資訊可利用於最佳化此策略以捕獲最高風(電力)量，例如利用剪切、尾流等。控制裝置可構造成基於所測量、估計或預測的風速來設定移動掃掠面積200之速度，其中當風速增加時，較佳增加掃掠面積200的移動速度，且當風速減小時，較佳減小掃掠面積200之移動速度。
如果滿足以下條件的至少一項，則控制裝置可構造成使掃掠面積200之移動減速或停止：如果由致動器所消耗以移動轉子之功率超過第一閾值；及如果由轉子的移動所造成之負荷參數、疲勞參數或不穩定性參數超過第二閾值。負荷參數、疲勞參數或不穩定性參數的考量提供安全之操作。轉子移動必需具有負荷效率，以致不允許藉由此移動造成過多的額外負荷。這可為控制策略之一部分，以僅當可允許負荷時啟動轉子的移動。這可藉由線上監控負荷及加速度變數或藉由所設計的控制策略排定轉子之移動來實施。此外，轉子的移動同樣應考量風場邊界，此風場例如相對於進來之船、其他渦輪機及航行路線可為靜態或甚至動態的。
可藉由風場控制裝置(未示出)來控制複數個風力渦輪機100。風場控制裝置可連接至每一風力渦輪機100之每一控制裝置。風場控制裝置可構造成以將一風力渦輪機100的尾流至少不連續地引導到另一風力渦輪機100之方式施行協調控制。例如，當二個風力渦輪機100、100係於相同方向中同步地移動時，其中一個風力渦輪機100可連續地位於另一風力渦輪機100的尾流外側。在另一實施例中，二個風力渦輪機100、100可於相反方向中移動，以致其中一個風力渦輪機100可僅在短時間內處於另一風力渦輪機100之尾流內側。
放置在風場內側的風力渦輪機100經過它們之尾流彼此相互作用。風力渦輪機100的尾流係進來之風111的能量提取之結果。此尾流造成風速減小、亦已知為風虧(wind deficit)，及造成風速變動增大、亦已知為亂流。這些現象導致風場的總電力生產之減少及用於下游風力渦輪機100的負荷之增加。下游風力渦輪機100係放置在風111的下游之另一風力渦輪機100後面的風力渦輪機100，其中前排中之另一風力渦輪機100產生尾流。功率產生或輸出功率的減少是風速之直接結果，此風速係由於尾流而減少，而由亂流所造成的風速變動中之增加可造成機械負荷中的變動。
上述控制策略使用渦輪機間協調。例如，可在風場範圍上最佳化風力渦輪機100之轉子移動的軌跡，以使發電最大化。
具有關於風場中之風111的方向及風力渦輪機100之位置的資訊之風場控制裝置可將控制策略(或設定點)分佈至個別風力渦輪機100，使得它們被控制以最大化風場範圍上的發電。例如，對於逆風風力渦輪機100，可以做此事，以使轉子移動與順風風力渦輪機100協調，以減少例如尾流對於逆風及順風風力渦輪機100之影響，以當順風風力渦輪機100實質上完全處於逆風風力渦輪機100的尾流中時，同步地移動或在相反方向中移動。
為了捕獲風能，僅當風力渦輪機100於額定功率以下操作時才需要施行此轉子移動。當風力渦輪機100處於尾流中時，同樣亦在額定風速以上施行上述控制策略對於機械負荷可為有益的。
應當注意，「包含」一詞不排除其他元件或步驟，且「一(a)」或「一(an)」不排除複數個。亦可組合與不同實施例相關者中所敘述之元件。亦應注意，請求項中的參考符號不應解釋為限制請求項之範圍。
100:風力渦輪機 101:起伏軸線 102:橫移軸線 103:縱移軸線 104:偏轉軸線 105:浮舟俯仰軸線 106:浮舟滾動軸線 107:旋轉軸線 111:風 112:海平面 113:海床 114:海 120:船體 130:塔架 140:葉片 151:第一繫泊索 152:第三固定點 153:第一固定點 154:第二繫泊索 155:第四固定點 156:第二固定點 160:機艙 200:掃掠面積
圖1顯示風力渦輪機及其不同元件； 圖2顯示掃掠面積之平移運動； 圖3顯示掃掠面積的旋轉運動；及 圖4顯示掃掠面積之起伏運動。
100:風力渦輪機
101:起伏軸線
102:橫移軸線
103:縱移軸線
104:偏轉軸線
105:浮舟俯仰軸線
106:浮舟滾動軸線
107:旋轉軸線
111:風
112:海平面
113:海床
114:海
120:船體
130:塔架
140:葉片
151:第一繫泊索
152:第三固定點
153:第一固定點
154:第二繫泊索
155:第四固定點
156:第二固定點
160:機艙
200:掃掠面積

Claims (11)

  1. 一種風力渦輪機(100)，包含： 塔架(130)； 機艙(160)，安裝在該塔架(130)之頂部； 轉子，相對該機艙(160)繞著旋轉軸線(107)可旋轉地安裝，並包含至少一個葉片(140)，其中該葉片(140)當繞著該旋轉軸線(107)旋轉時，其構造成跨越掃掠面積(200)；及 控制裝置，其構造成控制致動器，以便移動該掃掠面積(200)。
  2. 如請求項1的風力渦輪機(100)，其中 該控制裝構造成控制該致動器，以便使該掃掠面積(200)往復移動。
  3. 如請求項1至2中任一項的風力渦輪機(100)，其中 該控制裝置構造成基於對該風力渦輪機(100)之測量、估計或預測的風(111)之速度來變更該掃掠面積(200)的移動。
  4. 如請求項1至3中任一項的風力渦輪機(100)，其中 該控制裝置構造成基於風速來設定使該掃掠面積(200)移動之速度，其中當該風速增加時，較佳地使該掃掠面積(200)移動的速度增加，且當該風速減小時，較佳地使該掃掠面積(200)移動之速度減小。
  5. 如請求項1至4中任一項的風力渦輪機(100)，其中 該掃掠面積(200)係藉由平移運動及旋轉運動之至少一者所移動。
  6. 如請求項1至5中任一項的風力渦輪機(100)，其中 該風力渦輪機(100)是包含浮動船體(120)之離岸風力渦輪機(100)，該塔架(130)安裝在該浮動船體上，其中該船體(120)於海床(113)經由第一繫泊索(151)連接至第一固定點(153)，且在該海床(113)經由第二繫泊索(154)連接至第二固定點(156)，其中該致動器包含以移動該掃描區域(200)的方式，改變該第一固定點(153)與該船體(120)之間的第一繫泊索(151)之長度、及該第二固定點(156)與該船體(120)之間的第二繫泊索(154)之長度的至少一者的手段。
  7. 如請求項1至6中任一項的風力渦輪機(100)，其中 該風力渦輪機(100)係包含浮動船體(120)之離岸風力渦輪機(100)，該塔架(130)係安裝至該浮動船體(120)，其中該致動器包含壓艙物控制系統，該壓艙物控制系統構造成以移動該掃掠面積(200)的方式來移動壓艙物本體或該船體(120)內側之壓艙物流體。
  8. 如請求項1至7中任一項的風力渦輪機(100)，其中 如果滿足以下條件之至少一項，則該控制裝置構造成移動該掃掠面積(200)： 該風力渦輪機(100)在低於該風力渦輪機(100)的額定輸出功率下操作； 該風力渦輪機(100)係在另一風力渦輪機之尾流內； 如果風速低於參考風速； 如果由該致動器所消耗以移動該轉子的功率比該風力渦輪機(100)之實際輸出功率的第一預定比率小；及 如果由該致動器所消耗以移動該轉子之功率比藉由移動該掃掠面積(200)所獲得的功率之第二預定比率小。
  9. 如請求項1至8中任一項的風力渦輪機(100)，其中 如果滿足以下條件之至少一項，則該控制裝置構造成使該掃掠面積(200)的移動減速或停止： 如果由該致動器所消耗以移動該轉子之功率超過第一閾值；及 如果由該轉子的移動所造成之負荷參數、疲勞參數或不穩定性參數超過第二閾值。
  10. 一種風場控制裝置，其構造成控制至少二個如請求項1至9中任一項的風力渦輪機(100)，其中 該風場控制裝置連接至該至少二個風力渦輪機(100)之至少一個控制裝置；及 該風場控制裝置構造成以該至少二個風力渦輪機(100)的其中一者之尾流係至少不連續地引導至該至少二個風力渦輪機(100)的另一者之方式來施行協調控制。
  11. 一種控制風力渦輪機(100)的方法，該風力渦輪機(100)包含塔架(130)、安裝在該塔架(130)之頂部的機艙(130)、及相對該機艙(130)可繞著旋轉軸線(107)旋轉地安裝且包含至少一個葉片(140)之轉子，其中該葉片(140)當繞著該旋轉軸線(107)旋轉時，其構造成跨越掃掠面積(200)，該方法包含以下步驟： 移動該掃掠面積(200)。
TW110108117A 2020-03-10 2021-03-08 包含可變掃掠面積的風力渦輪機及控制風力渦輪機的方法 TWI799804B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20162072.1 2020-03-10
EP20162072.1A EP3879093A1 (en) 2020-03-10 2020-03-10 Wind turbine comprising variable swept area and method of controlling a wind turbine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202138674A true TW202138674A (zh) 2021-10-16
TWI799804B TWI799804B (zh) 2023-04-21

Family

ID=69784319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110108117A TWI799804B (zh) 2020-03-10 2021-03-08 包含可變掃掠面積的風力渦輪機及控制風力渦輪機的方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230108917A1 (zh)
EP (2) EP3879093A1 (zh)
TW (1) TWI799804B (zh)
WO (1) WO2021180411A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115078759A (zh) * 2022-07-20 2022-09-20 岚图汽车科技有限公司 一种测风系统、测风控制方法及相关设备

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023143686A1 (en) * 2022-01-26 2023-08-03 Vestas Wind Systems A/S An offshore wind farm with mooring lines of different lengths

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8353667B2 (en) * 2008-08-27 2013-01-15 General Electric Company Method and apparatus for adjusting a yaw angle of a wind turbine
US8192160B2 (en) * 2010-09-01 2012-06-05 General Electric Company Wind turbine having variable height and method for operating the same
FR2967470B1 (fr) * 2010-11-17 2016-09-09 Ideol Installation et procede d'exploitation d'energie eolienne
DK201470456A1 (en) * 2014-07-18 2015-05-26 Envision Energy Denmark Aps System for and Method of reducing Wake Effect of Offshore Wind Turbines
CN110173396A (zh) * 2019-06-28 2019-08-27 内蒙古工业大学 一种伞形风力机用电气伺服控制系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115078759A (zh) * 2022-07-20 2022-09-20 岚图汽车科技有限公司 一种测风系统、测风控制方法及相关设备

Also Published As

Publication number Publication date
US20230108917A1 (en) 2023-04-06
EP4097349A1 (en) 2022-12-07
EP3879093A1 (en) 2021-09-15
WO2021180411A1 (en) 2021-09-16
TWI799804B (zh) 2023-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7215037B2 (en) Protective wind energy conversion chamber
US8894348B2 (en) Wind turbine
US20210262435A1 (en) Fluidic turbine structure
US20140159375A1 (en) Multi-turbine airflow amplifying generator
US20100032954A1 (en) Wind turbine
Kirke et al. Variable pitch Darrieus water turbines
WO2007043895A1 (en) Speed control system for a wind power plant's rotor and an aerodynamic brake
TW202138674A (zh) 包含可變掃掠面積的風力渦輪機及控制風力渦輪機的方法
WO2010098814A1 (en) Improved wind energy device
JP2007085182A (ja) 空力的調速機構を備える縦軸型直線翼風車
JP2010121518A (ja) 縦軸式マグナス型風力発電装置
WO2017110298A1 (ja) 風車システムまたはウィンドファーム
TWI708892B (zh) 風力發電裝置
US20130119662A1 (en) Wind turbine control
WO2019190387A1 (en) A floating vertical axis wind turbine with peripheral water turbine assemblies and a method of operating such
CN114320733A (zh) 风能设施的转子叶片、风能设施和设计转子叶片的方法
CA3110574A1 (en) Fluidic turbine structure
RU71707U1 (ru) Роторный ветродвигатель
JP2007285289A (ja) 反、半回転翼直角軸型風車
CN113833596B (zh) 自平衡水上风力发电系统
US11965481B2 (en) Wind power system
US20240200531A1 (en) Wind power generation system using moving body
GB2617545A (en) Reconfigurable rotor blade and method for controlling wake diffusion
Issoglio Implementation of a Model Predictive Controller (MPC) for Floating Offshore Wind Turbines (FOWT)
TW202140924A (zh) 利用潮流最佳化浮動式風力渦輪機的生產