CN101707949B - 风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

风力发电设备(10)包括：塔架(26)和安装在塔架(26)上并具有至少一个转子叶片(32)的转子(18)，以及能量转换单元(28)，其特点是：旋转轴承，该旋转轴承的旋转平面(30)位于至少大致水平的转子轴线(x)与垂直塔架轴线(y)之间；至少一个电动机(42)，其用于将转子(18)连同能量转换单元(28)一起从转子轴线(x)至少大致沿水平方向延伸的第一位置旋转到转子轴线(x)至少大致沿垂直方向延伸第二位置；以及引起转子(18)连同能量转换单元(28)一起从第一位置旋转到第二位置的装置。

Description

风力发电设备
技术领域
本发明涉及风力发电设备，其包括：塔架和安装在塔架上并具有至少一个转子叶片的的转子，以及用于从空气自然运动的动能中产生电力的能量转换单元。
背景技术
使用风能来产生电力正日益变得重要。不过，这种环保型的电力产生方式的一个技术难题在于风是不稳定的。使用风能时产生的一个问题是，要能够使用有时仅很弱地吹过的风来发电，而这同时又会伴随着这样问题，即还会遇到非常高的风速，此时就必须关闭风力发电设备以防止风的空气动力损坏它。然而，风力发电设备不仅会由于高风速而损坏，而且还会由于风速的紊流强度而损坏。此时，紊流强度定义为风速变化的标准偏差与风速平均值的商：
I = σ v m
对于地球上不受热带气旋影响且作为阵风峰值的风速不超过70m/s的区域，有可以安全地保护发电设备免遭损坏的技术方案。在这些区域中，紊流强度随着风速的增加而有规律地减小。在严重的飓风中，紊流强度的值显著地低于10％。
在发生热带气旋的区域中，情况则完全不同。如上一年中中国南部的风力场的经验所显示的，如果气旋的风眼穿过风力场，则风力发电设备不能承受大到四和五级的气旋，即60m/s以上的风速。在2006年，在浙江省，风力场的28个发电设备中的25个发电设备被严重损坏，约10个发电设备无法使用。其中转子叶片折断，机舱掉出它们的塔架，塔架突然折断，塔架翼缘被撕开，以及甚至有基础被拉出地面。测到的最大风速为86m/s。大多数风力发电设备仅设计用于60m/s的最大风速Vw，荷载的安全裕度为1.35。
上一年已显示出气旋的数量急剧增加，因此处于危险中的风力场会发生更大损坏的危险性也在急剧上升。由于在全世界范围迅速地日益广泛地使用风力，在有发生气旋风险的区域(例如印度、中国、中国台湾、日本等)也越来越多地在建造风力发电设备。
对于气旋来说很特殊的一点是，不仅风速在气旋的风眼壁中急剧上升，而且紊流强度也同时增加到极高的程度。风速可达到90-100m/s，同时紊流值强度为60％。被这样的横向于叶片的纵向轴线的空气运动击中的转子叶片不可能幸存而没有任何损坏。这样的强紊流空气动力学激励在叶片结构中引起沿边缘和拍动方向的极大振动，这样的振动极可能导致总体破坏。
相对于这样的高荷载来制定结构的尺寸会导致非常大的叶片重量，并且还会显著地增加整个发电设备的成本，因而明显地降低成本经济性。
在有气旋危险的区域中已建造的海上发电设备的情形中还会存在一个特殊的问题。因为它们建造在远离海岸的的水中，所以它们会在气旋的能量还未减小、风速仍很高时就受到气旋的撞击。对于在这些区域中的更大量的海上风力场来时，每年很可能有相当大的损坏。这是令人无法接受的，因为操作和维修成本将极大的增加，而且保险公司因此不会为这样的项目承保，银行也不会投资这样的事业。
同时，也已有人建议采用不同的措施，这些措施在发生非常高的风荷载时将机舱的转子叶片和/或转子分别转移到风力发电设备的这些部件的迎风面积较小的位置，也因此处于风阻较低的位置。例如，DE 100 58 076 A1示出这样的发电设备，其在强风来袭时使转子叶片垂直于风向成顺桨位置，并在风力增大时将转子从逆风位置转动到顺风位置。于是发电设备就能跟着踪风，因此风阻对于整个发电设备来说最小。当考虑单独的转子叶片时，尽管采取了这样的措施，但其仍可能根据转子位置而横向于纵向轴线地受风吹击。由于气旋中的强紊流，结构仍然会有受到很强的激励。依旧很可能发生破坏。
从EP 0 709 571 A2已知的另一发明将带有两个叶片的转子的机舱转移到相对于风向使该一个叶片从叶片末端受风吹击的位置。尽管明确地给出了减小荷载的方法，但在实践中，该***会由于其不稳定而不起作用。相对于叶片的纵向轴线偏离风向会产生附加的力矩，主动风向跟踪单元必须以高度动态的方式修正该附加的力矩。如果无法足够快速地实现这一点，则要将转子以与风向成直角地沿塔架的顺风方向转动的这些力矩将变得更加巨大，且***会不稳定地翻转。这样的结构也将无法幸存于发生气旋的情形。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种风力发电设备，其在如气旋中存在极限风速和紊流时将转子叶片带到一相对于平均风向的位置，在该位置中，吹击转子叶片的风流基本上只在叶片的纵向方向发生，并避免有危险的荷载激励的高负载横向流，并且即便当风向变化时，转子自身也以稳定的方式自动地跟踪而进入低荷载位置，从而以这种方式将对于整个发电设备的荷载减到最小。
本发明的目的由一种具有权利要求1所述特征的风力发电设备来实现。从属权利要求给出了本发明的有利实施方式。
本发明的基本构思是提供一种风力发电设备，其中转子可从转子轴线x至少对准成大致水平以用于发电的第一位置移动到保护风力发电设备免受作用在其上的过高空气动力学风荷载的损坏的第二位置。根据本发明，在第二位置(停机位置)，转子采取与直升机的情况相当的位置，其转子轴线布置成至少大致垂直。
通过在一旋转平面中使两个部件旋转过180°来实现上述操作所要求的大约90°的转子轴线x的倾斜，上述旋转平面布置在第一位置中至少大致水平地布置的转子轴线x与垂直塔架轴线y之间。
在这种情况下，较佳的是，转子相对于塔架旋转的旋转平面位于在第一位置中至少大致水平的转子轴线x与垂直塔架轴线y之间的角平分线上，尤佳的是，转子轴线x与塔架轴线x相交在旋转平面中。这确保转子轴线x与塔架轴线y在停机位置齐平地对准。
此外，设置成在超过了测量或预定的风速后才进行转子的旋转，可理解的是，如果例如有气旋作用的威胁的话，也可例如通过控制中心来手动地控制旋转。在这种情况下，例如可以共同地控制组合成一组的若干个风力发电设备。
风力发电设备的能量转换单元较佳的是具有转子轴承、齿轮箱、发电机以及制动器。仅带有一个转子叶片和平衡重的转子是尤佳的。
最后，在一个较佳的实施方式中，根据本发明的风力发电设备还具有电力储存装置，该电力储存装置储存发电设备工作期间产生的一部分电力，并使这些储存起来的电力可在发电设备已关闭或电网不可用的情况下用来进行转子的旋转运动，以将转子从第一位置旋转到第二位置。
作为一种替代方式，也可以由内燃机驱动的紧急发电机组来提供旋转过程所需要的电力。
附图说明
现将参照附图更详细地解释本发明，在附图中：
图1示出用于保护风力发电设备免受由极大的风荷载引起的损坏的本发明原理的图示；
图2示出根据本发明的一海上风力发电设备的尤佳示例性实施例的示意性图示；以及
图3示出实现本发明的旋转运动所需的示例性旋转机构的示意性图示。
具体实施方式
图1A示出说明用于保护风力发电设备免受由极大的风荷载所起的损坏的本发明原理的示意性图示，参见两部件式头部支承装置20。头部支承装置20包括两个单独的部件22、24，它们彼此独立且在一旋转平面30内彼此连接以使一个部件22可选对于另一部件24旋转。借助于垂直轴承54，部件24可连接到风力发电设备的塔架26上。部件22连接至能量转换单元28。
在本较佳实例中，能量转换单元28包括安装在转子轴承(未示出)中转子轴14、齿轮箱50以及发电机52。不过，能量转换单元28也可仅包括一个转子轴承和一个发电机52。
在所示的实例中的两个部件22、24可在其中相对彼此旋转的旋转平面30在本情形下由至少大致水平的转子轴线x与垂直塔架轴线y之间的角平分线来形成。两根轴线x、y的布置较佳的是选择成它们在旋转平面30中相交。这确保转子轴线x在第二位置中与塔架轴线y齐平。不过，部件22、24不一定要相同，而是也可以具有不同的设计，只要确保部件22能在部件24上旋转即可。传统上，塔架轴线y与转子轴线x之间的角度α在90°至98°的范围内。这使得旋转平面30的有利角度β为45°至49°。
图1B示出在第二位置中的风力发电设备且部件22相对于部件24扭转180°。
由于作为风力发电设备机舱的一个组成部件的部件22载有风力发电设备的转子18，所以通过转动部件22，可将转子18从通常用来进行发电的第一位置转动到附连在转子18上的转子叶片32的纵向轴线z不再定向在至少大致垂直的平面内而定向为至少大致水平的第二位置(直升机位置)。在这里的上下文中，本发明风力发电设备的转子18在本实例中是单叶转子18，它带有转子毂12、单个转子叶片32以及转子叶片平衡重16。
图2以带有单叶转子18的海上风力发电设备10的一尤佳示例性实施例的形式来阐明关于参照图1的说明的各个考虑的方面。海上风力发电设备10包括安装在基础上的塔架26，布置在其上的机舱包括(如图1所示)两个部件22、24以及能量转换单元28，部件24连接在风力发电设备的塔架26上。在这种情况下，部件24将经由垂直轴承54连接到塔架26且较佳的是使其可转动，从而转子轴线x可朝向平均风向对准。
载有转子18的部件22连接至部件24，以使其可在旋转平面30中旋转。
在进行发电的第一位置中，本发明的风力发电设备的转子18将采取图2A中所示的姿势，从而转子轴线对准成大致水平。在可能导致风力发电设备被损坏的高风速的情况下，首先将转子18制动在水平的叶片位置，然后以与图1实例相似的方式相对于部件24旋转部件22，以使转子18能从如图2A所示的第一位置移动到如图2C所示的第二位置，在所示的实例中，转子18所述的一个转子叶片32还被附加地移动到相对于塔架的顺风位置。
由于该水平对准的叶片纵向轴线z相对于塔架轴线y或转子轴线x处于顺风侧，所述的一个转子叶片就能在发生台风的情况下不再与叶片纵向轴线z成直角地受风吹击。而是，转子18仅从平衡重16侧沿着叶片的纵向轴线z受风吹击。由于转子18能绕转子轴线x自由转动，所以当风向变化时，转子叶片32将总是能使其自身跟踪到这个方向，从而转子叶片32决不会与叶片纵向轴线z成直角地受风吹击，因此可避免破坏性的入流。图2B示出旋转大致90°后的中间位置。
为了进行该旋转运动，必须同样使机械连接至转子18的所有部件，诸如转子轴承、齿轮箱50以及发电机52进行旋转。为了实现该旋转运动，两个部件22、24较佳的是借助于滑动轴承来彼此连接。不过，也可以设置球轴承。
本发明的风力发电设备还具有用于检测风速的传感器，尤佳的是设置一控制单元，在超过预定风力时，该控制单元使转子18较佳的是制动在叶片的水平位置，然后将部件22从第一位置旋转到第二位置。如果在一个风力场中使用若干发电设备，则也可以这样设置：仅设置一些传感器，并将测得的数据各自传递到布置在风力场中的风力发电设备，以能将单独的风力发电设备或者也可以是成组的风力发电设备通过将转子18从第一位置移动到第二位置而切断。当检测到例如气旋接近的极端状况时，可由中央控制指令来手动地触发整个风力场的切断操作。
图3示出布置在旋转平面30中的旋转轴承，该旋转轴承设计为滑动轴承(A)以及带有旋转球轴承(B)。
在图3A中，部件24设有三个活动轴承元件34，用于接受要传递的轴向和径向荷载。它们经由部件22和夹紧板36用螺钉44来张紧。夹紧板36在内侧上设有齿结构。小齿轮38啮合于该内齿结构，其经由齿轮箱40和驱动电动机42使部件22能相对于部件24转动。在齿轮箱支承结构56的上方，齿轮箱40牢固地连接到部件24。为了保护滑动轴承免受天气的影响，部件22和24利用密封件46对外界密封。
图3B示出带有旋转球轴承48的旋转轴承的示意性设计。这里，两个旋转轴承套圈连接到部件22、24。这里，也设置一密封元件46，其保护轴承单元免受外界天气的影响。包括齿轮箱40和驱动电动机42的驱动单元的结构与滑动轴承的情况相同，所要求的内齿结构较佳的是安装在旋转枢轴球轴承的内圈上。
此外，旋转轴承必须具有至少两个限位开关，用于检测第一和第二位置，以能将驱动电动机42可被切断或者驱动电动机42的转动方向相应地逆转。
最后，在必须要考虑电网断电的情况中，发电设备可装备有紧急发电机组或电池储存单元，它们可为进行旋转运动提供足够的电力。较佳的是，这些电力储存装置设计成它们在风力发电设备正在工作期间充电，以确保在切断过程中至少一个驱动电动机42的电力供应。

Claims (7)

1.风力发电设备(10)，所述风力发电设备包括：塔架(26)和安装在所述塔架(26)上并具有至少一个转子叶片(32)的转子(18)，以及能量转换单元(28)，其特征在于，还包括：
旋转轴承，所述旋转轴承的旋转平面(30)位于至少水平的转子轴线(x)与垂直塔架轴线(y)之间，并且第一部件(22)和相对于所述第一部件(22)可旋转的第二部件(24)在所述旋转平面内彼此连接，所述第一部件(22)连接到所述能量转换单元(28)，而所述第二部件(24)连接到所述塔架(26)；以及
至少一个电动机(42)，所述电动机用于将所述转子(18)连同所述能量转换单元(28)一起从所述转子轴线(x)至少沿水平方向延伸的第一位置旋转到所述转子轴线(x)至少沿垂直方向延伸的第二位置，并且
所述旋转轴承、所述电动机、所述第一部件(22)和所述第二部件(24)引起所述转子(18)连同所述能量转换单元(28)一起从所述第一位置旋转到所述第二位置。
2.如权利要求1所述的风力发电设备(10)，其特征在于，所述旋转平面位于处于所述第一位置的所述转子轴线(x)与所述垂直塔架轴线(y)之间的角平分线上。
3.如权利要求1所述的风力发电设备(10)，其特征在于，所述转子轴线(x)与所述塔架轴线(y)在所述旋转平面(30)中相交。
4.如权利要求1所述的风力发电设备(10)，其特征在于，还包括将在所述发电设备工作期间产生的一部分电力馈送到用于向所述至少一个电动机(42)供应电力的储存装置。
5.如权利要求1所述的风力发电设备(10)，其特征在于，所述旋转轴承在每一情况下都具有指定给所述第一位置和所述第二位置的限位开关。
6.如权利要求1所述的风力发电设备(10)，其特征在于，所述能量转换单元(28)具有转子轴承、发电机(52)、齿轮箱(50)以及制动器。
7.如权利要求1所述的风力发电设备(10)，其特征在于，所述转子(18)是带有一个转子叶片(32)和平衡重(16)的单叶转子。
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