风力涡轮机模块化组件、风力涡轮机及其风力涡轮机组的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及风力涡轮机模块化组件、风力涡轮机及其风力涡轮机组，风力涡轮机具有来自切入风速的功率输出和处于额定风速时的额定功率，风力涡轮机模块化组件包括：具有下端和上端的风力涡轮机塔架，其上端对接机舱，机舱对接轮毂，轮毂传递捕获的能量并对接叶片组，叶片组包括至少两个风力涡轮机转子叶片，转子叶片至少一部分通过变桨系统以一桨距角变桨；每个转子叶片具有固定端和自由端之间的叶片长度，固定端固定在轮毂上，在旋转平面内旋转，捕获风能，叶片组包括：第一叶片组至少一部分具有根据空气动力学构筑的第一外形，用于捕获风速阈值以上的高风速，第二叶片组至少一部分具有根据空气动力学构筑的第二外形，用于捕获风速阈值以下的低风速。
【专利说明】风力涡轮机模块化组件、风力涡轮机及其风力涡轮机组
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风力涡轮机模块化组件，其用于组装风力涡轮机，该风力涡轮机具有来自切入风速的功率输出以及处于额定风速时的额定功率，所述风力涡轮机模块化组件包括至少两组风力涡轮机塔架、风力涡轮机机舱、轮毂和叶片组，其中:
[0002]-所述风力涡轮机塔架具有下端和上端，所述上端设置为对接至
[0003]-所述风力涡轮机机舱，该风力涡轮机机舱设置为对接至
[0004]-所述轮毂，该轮毂设置为传递所捕获到的能量，并设置为对接至
[0005]-所述叶片组，该叶片组包括至少两个风力涡轮机转子叶片，所述转子叶片的至少一部分设为通过变桨系统以一桨距角变桨；并且每个所述转子叶片具有介于固定端和自由端之间的叶片长度，所述固定端设为固定在轮毂上，以便在旋转平面内旋转，并捕获风能，
[0006]所述至少两组叶片组包括:
[0007]-第一叶片组的至少一部分具有根据空气动力学构筑的第一外形，该根据空气动力学构筑的第一外形设置为捕获风速阈值以上的高风速，以及
[0008]-第二叶片组的至少一部分具有根据空气动力学构筑的第二外形，该根据空气动力学构筑的第二外形设置为捕获风速阈值以下的低风速。
[0009]【背景技术】
[0010]本发明涉及用于低风速和高风速的风力涡轮机组件以及风力涡轮机。
[0011]通常地，风力涡轮机和风力涡轮机组由对于特定风力条件最优化的组件制成。这意味着，对于特定的位置或风力条件，风力涡轮机建造为通过使用统一的或相同的风力涡轮机，尽可能多地获得能量。因此，风力涡轮机将设计为在特定风速下表现出最佳的性能。这可以用于低风速，或者用于高风速。
[0012]实用新型内容
[0013]本发明的一个目的是提供用于风力涡轮机组的标准元件，同时提供使风力涡轮机组能够在低风速下和高风速下捕获能量的技术手段。
[0014]本发明的另一个目的是提供一种风力涡轮机组，该风力涡轮机组可由相同的元件或组件建造而成，并产生最佳的功率输出，即使在大范围的风速内，也可能实现。
[0015]本发明的目的通过一种风力涡轮机模块化组件实现，该风力涡轮机模块化组件用于组装风力涡轮机，该风力涡轮机具有由切入风速产生的功率输出以及处于额定风速时的额定功率，所述风力涡轮机模块化组件包括至少两组风力涡轮机塔架、风力涡轮机机舱、轮毂和叶片组，其中:
[0016]-所述风力涡轮机塔架具有下端和上端，所述上端设置为对接至
[0017]-所述风力涡轮机机舱，该风力涡轮机机舱设置为对接至
[0018]-所述轮毂，该轮毂设置为传递捕获的能量，并设置为对接至
[0019]-所述叶片组，该叶片组包括至少两个风力涡轮机转子叶片，所述转子叶片的至少一部分设为通过变桨系统以一桨距角变桨；并且每个所述转子叶片具有介于固定端和自由端之间的叶片长度，所述固定端设为固定在轮毂上，以便在旋转平面内旋转，并捕获风能，[0020]所述至少两组叶片组包括:
[0021]-第一叶片组的至少一部分具有根据空气动力学构筑的第一外形，该根据空气动力学构筑的第一外形设置为捕获风速阈值以上的高风速，以及
[0022]-第二叶片组的至少一部分具有根据空气动力学构筑的第二外形，该根据空气动力学构筑的第二外形设置为捕获风速阈值以下的低风速。
[0023]在一个特定的实施例中，所述根据空气动力学构筑的外形为，其中，第一叶片组中的第一叶片具有第一叶片长度，第二叶片组中的第二叶片具有第二叶片长度，所述第二叶片长度大于所述第一叶片长度。
[0024]所述风速阈值为风速分布的中间值或平均值，其通过威布尔分布估算得到，或者通过在特定地点进行测量或预估得到。通常地该风速包括方向信息，并且用风向图表示。
[0025]本领域技术人员理解这些差异，并注重常规观测。对于有给定方向，或者简化至不包含方向信息的情况，风速分布中有个峰，风速阈值简单地将风速分为低风速部分和高风速部分。通常，风速阈值刚好在峰的周围，并且很多时候只是在峰的较高一端上。
[0026]假设，风速阈值的分布、或者拟合的起始点为，这些测量、拟合或分析确定的分布的平均值。
[0027]从而，使得风力涡轮机组件可以更为流水线地生产、运输、组装和维护，这从总体上将减少资源，降低包括人力资本在内的成本。
[0028]从而，根据本发明，提供了 一种风力涡轮机组件，其能够有效地用于建设风力发电厂或涡轮机一包括风力涡轮机组一这些风力涡轮机能够在大范围风速内运行并且发电，从而提高捕获风能的总体可靠性。
[0029]本领域技术人员知晓，尽管组件中的元件或模块理解为对每个低风速或高风速捕获涡轮机来说都是相同的，然而对不同元件或模块间的界面进行些许调整，也是理所当然的需要，并且仍然在本发明的保护范围内。
[0030]根据本发明的叶片组包括不同的实施方式。
[0031]在一种实施方式中，叶片组包括三个叶片，每个叶片从轮毂处的安装点延伸至叶尖。这些叶片可设置为通过变桨系统进行变桨，所述变桨系统位于轮毂和叶片之间。
[0032]在另一种实施方式中，叶片组包括两个叶片，每个叶片具有内侧叶片部分和外侧叶片部分，所述内侧叶片部分安装至轮毂上，所述外侧叶片部分通过介于两叶片部分之间的变桨系统，相对于内侧叶片部分进行变桨。
[0033]在部分变桨实施方式的优选实施例中，第一叶片组的内侧叶片部分和第二叶片组的内侧叶片部分相同。在该实施例中，第一外侧叶片部分具有用于高风速捕获的根据空气动力学构筑的第一外形，第二外侧叶片部分具有用于低风速捕获的根据空气动力学构筑的
第二外形。
[0034]在另一种实施方式中，第一内侧叶片部分设置为高风速捕获，第二内侧叶片部分设置为低风速捕获。
[0035]根据另一种实施方式，本发明的特别之处在于，其具有控制器，该控制器用于在低风速捕获模式和高风速捕获模式下，操控已组装好的风力涡轮机模块化组件。
[0036]从而，相同的控制器可用于不同的低风速风力涡轮机或者高风速风力涡轮机。
[0037]本领域技术人员知晓，风力涡轮机组件可制作为带有一个控制器，该控制器具有适合于低风速运行的程序或一组操控指令。同样，也可提供另一个控制器，其具有仅适合于高风速运行的程序或者一组操控指令。
[0038]根据本发明的另一种实施方式，本发明的特别之处在于，其具有:
[0039]-第一叶片组中的第一叶片，其具有第一叶片长度，和
[0040]-第二叶片组中的第二叶片，其具有第二叶片长度，所述第二叶片长度长于所述第一叶片长度。
[0041]从而，提供了两种不同的风力涡轮机组件，其中，较长的叶片允许捕获低风速的风，较短的叶片允许捕获高风速的风。
[0042]具有相同的结构元件，并且基本上仅仅是叶片长度不同，这是实现本发明目的的一种特别简单的方式。
[0043]根据另一种实施方式，本发明的特别之处在于，所述塔架包括:
[0044]-至少第一塔架，其具有第一塔架高度，和
[0045]-至少第二塔架，其具有第二塔架高度。
[0046]从而，提供了两种不同的风力涡轮机组件，其中，在大多数情况下，较高的风力涡轮机将捕获大部分的能量。
[0047]在大多数情况下，较高的塔架半径较小，用于高风速捕获，从而提供了一种本发明的特别容易配置的实施方式。
[0048]根据另一种实施方式，本发明的特别之处在于，在低风速捕获的情况下，所述控制器在风速高于风速阈值时切断发电，该风速阀值可以是7米/秒，优选为6至9米/秒，
[0049]从而，提供了一种低风速捕获涡轮机的组件，其设为从低风速捕获能量，其中组件或风力涡轮机设为在低风速运行，以捕获能量。
[0050]通常，控制器设置为减少叶片旋转，以使风力涡轮机在风速超过风速阈值2至3米/秒时，即大约为8至10米/秒时停止发电。
[0051]根据本发明的另一种实施方式，其特别之处在于还包括至少两个:
[0052]-轴，其一端连接至轮毂，另一端连接至
[0053]-发电机，其连接至电力驱动机构。
[0054]根据另一种实施方式，本发明的特别之处在于，发电机包括:
[0055]-第一类发电机，其用于捕获高风速，并以风力涡轮机的额定功率发电；该第一类发电机优选为双馈式感应发电机，和
[0056]-第二类发电机，其用于捕获低风速，并以组装的风力涡轮机的额定功率的一半(或介于30-60%之间)发电；第二类发电机优选为双馈式感应(DFIG)发电机或永磁(PM)发电机。
[0057]从而，有效地提供了用于高风速捕获的最佳的第一类发电机，以及一同使用的合适的驱动机构，以和用于高风速捕获的第一类风力涡轮机相匹配。此外，提供了用于低风速捕获的第二类发电机，其尺寸小于第一类发电机的尺寸。此外，其优势在于所需的空间更小，所需的材料更少。
[0058]根据另一种实施方式，本发明的特别之处在于包括至少两个第一类发电机，用于低风速捕获和高风速捕获，该第一类发电机设为以风力涡轮机的额定功率发电；该第一类发电机优选为双馈式感应发电机，此外还包括:[0059]-至少一个辅助发电机，该辅助发电机为第二类发电机，用于低风速捕获，其设置为以组装好的风力涡轮机额定功率的一半(或介于30-60%之间)发电；该第二类发电机优选为双馈式感应发电机，或优选为永磁发电机。
[0060]从而，提供一种有效的驱动机构，其中，第一类发电机应用在全部风力涡轮机组件中，第二种类型的第二发电机或辅助发电机可安装或改装在风力涡轮机中，以适用于低风速捕获。
[0061]特别地，使用永磁发电机可更为有效地在低风速捕获能量。
[0062]特别地，第一类发电机为双馈式感应类型，第二类发电机为永磁型，这使得总体捕获为可灵活运行的和有效的。
[0063]本领域技术人员知晓双馈式感应发电机和永磁发电机在成本上的区别，且自然包括这些考虑，在一些情况下会发现，最佳的整体配置是第一类发电机为双馈式感应类型，并且第二类发电机也为双馈式感应类型——并且或许甚至尺寸也与第一类发电机的尺寸相同。
[0064]根据另一种实施方式，本发明的特别指出在于还具有第三个、第四个、第五个或第六个以下两者中的任一个:
[0065]-叶片组，其具有不同且相互区别的叶片长度，以及
[0066]-塔架组，其具有不同且相互区别的塔架高度。
[0067]从而，制得适用于各级风速的风力涡轮机的组件。
[0068]应当想到，多个组件或系列是更为有利的，然而计算、制作、储存、管理的成本和人
力会耗费更多。
[0069]同样，根据本发明的另一种实施方式，其特别之处在于还具有第三个、第四个、第五个或第六个以下两者中的任意一个:第一发电机或第二发电机。
[0070]通过将所公开的风力涡轮机模块化组件进行组装，得到风力涡轮机，实现本发明的一个目的。
[0071]应当理解，风力涡轮机可由所公开的组件或套件组装得到。经由所述组件或套件，可组装至少第一风力涡轮机和至少第二风力涡轮机。
[0072]此外，应当理解，组件中的相同元件或模块可采用同一设计、生产线和组装程序，不同的模块需要不同的设计、生产线和组装程序。
[0073]然而，本领域技术人员将了解并探测模块之间或元件之间的界面，并且被鼓励对其进行修改，以使模块相互组装在一起。
[0074]本发明的目的通过风力涡轮机组实现，该风力涡轮机组包括至少一个用于低风速捕获的风力涡轮机，以及至少一个用于高风速捕获的风力涡轮机，这些风力涡轮机如所公开地经由风力涡轮机模块化组件组装得到。
[0075]根据另一种实施方式，本发明的特别之处在于，所述风力涡轮机组包括多个风力涡轮机，该风力涡轮机经由所公开的风力涡轮机模块化组件组装而成，x%为低风速捕获风力涡轮机，(100-x)%为高风速捕获风力涡轮机，其中，X选择为操控风力涡轮机组处于有效边界，以最优地减少风力涡轮机组的输出的总体变化性，并降低风力涡轮机组的发电成本。
[0076]本领域技术人员将从科技文献和金融文献中可利用的多个组合优化方法中寻找灵感。[0077]—个例子是马柯维兹优化理论的使用，但这并非唯一的例子。
[0078]本领域技术人员将知道，在对获得或捕获一定量能量的变化性或风险选择物理测量时，需要一定的自由度。
[0079]起始点确定了基于风速变化的风险的相对测量。
[0080]同样，本领域技术人员知晓，在对收益即风能捕获选择物理测量时，可以有一定的
自由度。
[0081]—个起始点为风力涡轮机的能量输出。另一个起始点为风力涡轮机的发电成本。
[0082]使用众所周知的优化路径或程序，本领域技术人员将获得不同类型的风力涡轮机的特定最优值。
[0083]这些最优值组成一组优选的风险收益组合。这些最优值，或者最优解，常常被称作“有效边界”(effective frontier),而本领域技术人员尝试着设计并安排风力润轮机接近该有效边界，或处于有效边界。
[0084]在最低风险时产生最高收益的特殊组合或比例是极为有利的。取决于所选的方法，该优选的最优值被称为切线解。这种用于选择风力涡轮机的最优组合比的特殊方法为起始点，然而本领域技术人员知道，对于特殊的要求，处于有效边界的其他最优值可能是更为有利的。
[0085]根据另一种实施方式，本发明的特别指出在于，风力涡轮机组包括通讯装置，该通讯装置用于在至少两种风力涡轮机之间传递运行信息，优选地在风力涡轮机组中每台风力涡轮机之间传递运行信息。
[0086]从而，提供了用于整体控制风力涡轮机组的方法，从而使得受控制的功率输出覆盖从零至风力涡轮机的最大功率输出值，并且尽可能少地变化。
[0087]根据另一种实施方式，本发明的特殊之处在于，风力涡轮机组包括至少50%的组装为适用于低风速捕获的风力涡轮机。
[0088]该实施方式的优势在于，提供了一种总体有效的风力涡轮机组合或集合，因为这很容易建立，且风力涡轮机可并联拆除。
[0089]本发明的一个目的通过一种操控风力涡轮机组的方法实现，所述风力涡轮机组包括组装好的用于低风速捕获的风力涡轮机和用于高风速捕获的风力涡轮机，所述方法包括以下操控模式:
[0090]-对于介于切入风速和风速阈值之间的风速:操控低风速捕获风力涡轮机和高风速捕获风力涡轮机，通过使叶片以一桨距角变桨，该桨距角对给定风速是最佳的，产出最大功率;
[0091]-对于介于风速阈值和额定风速之间的风速:操控高风速捕获风力涡轮机，通过使第一叶片组以一桨距角变桨，该桨距角对给定风速是最佳的，产出最大功率；并且
[0092]通过使第二叶片组变桨，产出功率，使低风速捕获风力涡轮机功率降低，以使低风速捕获风力涡轮机和高风速捕获风力涡轮机的功率之和产出额定功率；
[0093]-对于高于额定风速的风速；操控高风速捕获风力涡轮机，通过使第一叶片组以产生额定功率的桨距角变桨，产出额定功率；操控低风速捕获风力涡轮机，以产出零功率。
[0094]从而提供了根据本发明的风力涡轮机集合的操控模式，产生最佳的功率输出，或接近最佳的功率输出。[0095]根据另一种实施方式，本发明的特别指出在于操控风力涡轮机组的方法，其中，当操控低风速捕获风力涡轮机至产出零功率时，该低风速捕获风力涡轮机的操控方式为，通过控制器，使第二叶片组以一桨距角变桨，使轮毂上的负载最小。
[0096]从而提供了 一种操控模式，该操控模式确保了低风速捕获风力涡轮机可在无多余机械负载的情况下空转。
[0097]根据另一种实施方式，本发明的特别指出在于操控组装好的用于低风速运行的风力涡轮机的方法，该方法包括用于以下的操控模式:
[0098]-对于介于切入风速和风速阈值之间的风速:通过使叶片以一桨距角变桨，该桨距角对给定的风速而言是最佳的，产生最大功率，
[0099]-对于介于风速阈值和额定风速之间的风速，通过使第二叶片组变桨，产出功率，减少低风速捕获风力涡轮机的功率，以使低风速捕获风力涡轮机和高风速捕获风力涡轮机所产生的功率之和达到高风速捕获风力涡轮机的额定功率，以及
[0100]-对于高于额定风速的风速，操控低风速捕获风力涡轮机，以产出零功率。
[0101]从而提供了一种操控模式，其提供了一种持久模式，其中，低风速捕获风力涡轮机在没有过多负载的情况下空转。
[0102]“功率降低”理解为，当达到特定的条件，例如特定的风速或机械负载时，连续地或逐步地减少功率或降低转子的旋转速度。该特定的条件可以是警报，或者当发生迫使元件达到设计极限或类似的阈值极限或范围的危险的时候。这可以与实际风速或对叶片的入射
速度无关。
[0103]根据另一种实施方式，本发明的特别指出在于，组装好的用于低风速运行的风力涡轮机的操控方法，其中，当操控低风速捕获风力涡轮机以产出零功率时，该低风速捕获风力涡轮机的操控方式为，通过控制器使第二叶片组以一桨距角变桨，该桨距角使轮毂上的
负载最小化。
【专利附图】
【附图说明】
[0104]图1示出了风力涡轮机模块化组件，其包括塔架、机舱、轮毂和叶片组；
[0105]图2示出了风力涡轮机模块化组件的另一实施方式，其包括塔架、机舱、轮毂和叶片组；
[0106]图3示出了风速分布的例子，平均风速为3米/秒、5米/秒和7米/秒；
[0107]图4示出了风速分布图，以及低风速捕获和高风速捕获之间的分界；
[0108]图5示出了组装好的风力涡轮机模块化组件，其具有低风速捕获风力涡轮机和高风速捕获风力涡轮机；
[0109]图6A和B示出了根据风速的功率曲线；
[0110]图7示出了风力涡轮机组或风电场的实施例；以及
[0111]图8A示出了使用第一叶片组和第二叶片组的“高”风速捕获/ “低”风速捕获；B示出了总体优化的风力涡轮机组，该风力涡轮机组包括多个组装好的风力涡轮机，叶片组件的分配比例根据风力涡轮机组的组合最优化，设置为在有效边界上运行，该有效边界为最优地可使风力涡轮机组功率输出的总体变化减少，并降低发电成本。
[0112]
【权利要求】
1.一种风力涡轮机模块化组件(1)，用于组装成风力涡轮机(100)，所述风力涡轮机(100)具有来自切入风速的功率输出，以及基于额定风速的额定功率，其中，所述风力涡轮机模块化组件(I)包括至少两组风力涡轮机塔架(2)、风力涡轮机机舱(5)、轮毂(6)和叶片组(7)，其中: 所述风力涡轮机塔架(2)具有下端(3)和上端(4)，所述上端(4)设置为对接至所述风力涡轮机机舱(5)，所述风力涡轮机机舱(5)设置为对接至所述轮毂(6)，所述轮毂(6)设置为传递所捕获到的能量，并设置为对接至所述叶片组(7)，所述叶片组(7)包括至少两个风力涡轮机转子叶片(8)，其中所述转子叶片(8)的至少一部分设为通过变桨系统(10)以一桨距角变桨；每个所述转子叶片(8)具有介于固定端(12)和自由端(13)之间的叶片长度(11),所述固定端(12)设为固定在轮毂(6)上，以便在旋转平面内旋转，并用于捕获风能， 所述至少两组叶片组(7)包括: 第一叶片组(7')的至少一部分具有根据空气动力学构筑的第一外形(14')，该根据空气动力学构筑的第一外形(If )用于风速阈值(21)以上的高风速捕获(15)，以及 第二叶片组(7〃)的至少一部分具有根据空气动力学构筑的第二外形(14")，该根据空气动力学构筑的第二外形(14")用于风速阈值(21)以下的低风速捕获(16)，并且其中，第一叶片组(7')中的第一叶片(8')具有第一叶片长度(11')，并且第二叶片组(7〃)中的第二叶片(8〃)具有第二叶片长度(11")，所述第二叶片长度(11")大于所述第一叶片长度(1P )。
2.根据权利要求1的风力涡轮机模块化组件(1)，其特征在于还包括控制器(17)，所述控制器(17)以高风速捕`获模式和低风速捕获模式，操控组装好的风力涡轮机模块化组件(I)。
3.根据权利要求1的风力涡轮机模块化组件(1)，其特征在于，所述塔架(2)包括: 至少第一塔架(2')，其具有第一塔架高度，和 至少第二塔架(2 ")，其具有第二塔架高度，所述第二塔架高度与所述第一塔架高度不同。
4.根据权利要求2的风力涡轮机模块化组件(I)，其特征在于，在低风速捕获(16)的情况下，所述控制器(17)在风速高于风速阈值(21)时切断发电，所述风速阈值为7米/秒，优选为6至9米/秒。
5.根据权利要求1的风力涡轮机模块化组件(1)，其特征在于还包括至少两个: 轴，其一端连接至轮毂(6 )，另一端连接至 发电机，其连接至电力驱动机构。
6.根据权利要求5的风力涡轮机模块化组件(1)，包括: -至少两个第一类发电机，所述第一类发电机用于低风速捕获(16)和高风速捕获(15)，所述第一类发电机以风力涡轮机的额定功率发电；所述第一类发电机为双馈式感应发电机，以及 -至少一个辅助发电机，所述辅助发电机为第二类发电机，用于低风速捕获(16)，所述第二类发电机以介于组装好的第一风力涡轮机(100')额定功率的30-60%之间进行发电；所述第二类发电机为双馈式感应发电机或永磁电机。
7.根据权利要求1的风力涡轮机模块化组件(1)，其特征在于还具有第三个、第四个、第五个或第六个以下两者中的任意一个: 叶片组(7)，其具有不同且相互区别的叶片长度(11)，以及 塔架组(2)，其具有不同且相互区别的塔架高度。
8.一种风力涡轮机(100)，其特征在于，所述风力涡轮机(100)由根据权利要求1所述的风力涡轮机模块化组件(I)组装而成。
9.一种风力涡轮机组(110)，包括至少一个根据权利要求1的风力涡轮机模块化组件(I)组装而成的用于低风速捕获(16)的风力涡轮机(100〃)，以及至少一个组装用于高风速捕获(15)的第二种风力涡轮机(100')。
10.一种风力涡轮机组(110)，包括多个根据权利要求1的风力涡轮机模块化组件(I)组装而成的风力涡轮机(100)，X%为低风速捕获风力涡轮机，(100-X) %为高风速捕获风力涡轮机，其中，X选择为操控风力涡轮机组处于有效边界，所述有效边界是使风力涡轮机组(110)功率输出的总体变化减少，并降低风力涡轮机组(110)的发电成本的最佳值。
11.根据权利要求9或10的风力涡轮机组(110)，包括通讯装置，所述通讯装置用于在至少两种风力涡轮机(100'、100")之间传递运行信息，并优选用于在风力涡轮机组(110)中每台风力涡轮机(100)之间传递运行信息。
12.根据权利要求9的风力涡轮机组(110)，包括至少50%的组装为适用于低风速捕获(16)的风力涡轮机(100)。`
【文档编号】F03D1/02GK203515963SQ201320403819
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】彼得·葛利普 申请人:远景能源（江苏）有限公司