专利名称：风力发电装置的操作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电装置的操作方法，其中所述风力发电装置除具有至少一个转子之外，还具有许多部件，所述转子至少具有一个转子叶片和用于将转子的机械能转化为电能的发电机，其中确定了它的一个或多个特征，特别地就测量而言，直接或间接取决于作用到所述部件的作用力和/或与这些作用到所述部件上的这些作用力成反比，例如当前风速或风力发电装置的操作参数，例如转子叶片的风力冲角。本发明也涉及一种实现本方法的风力发电装置。
背景技术：
风力发电装置的若干部件受到风力的不同作用。这些力的作用反过来引起了不同的问题。例如，风力发电设备的转子叶片暴露于高的风荷载。由于风荷载的作用力主要引起了转子叶片的变形。在转子叶片翼尖处的变形通常比在接近于转子的中心的转子叶片部分更大。
另外，叶片变形影响了与风力相关的转子叶片的冲角。因此实际冲角常常偏离了预定冲角，特别在接近叶片翼尖处。为了抵消该偏离，已知在现有技术中，在生产转子叶片期间将转子叶片预先向前弯曲，也就是，面对相对于安装状态的迎风方向。可是，该预先弯曲是一种折衷的方法，这是由于仅在特定风速下，力比才能达到产品的预弯曲正好完全补偿由风压引起的变形。因此当风速偏离该速度时，转子叶片相对于风的位置不是最佳的。
影响风力发电装置的各个部件的力，例如风荷载、部件的各自固有重量或类似物，不仅引起空气动力问题。另外，这些力，特别是循环荷载也对各个部件的寿命有负面影响。
从US2004/0067134A1中已经知道，依据所测的风速使转子叶片绕着它们的纵轴扭曲，也就是使转子叶片部分旋转或倾斜脱离风。为了这个目的，将长度能通过控制装置控制的压电纤维布置在转子叶片的壁部中。作为本文献的解决方案一部分，结果是已经以相对复杂的方式部分防止对转子叶片有负面影响的一些力的产生，因为转子叶片转动依赖于风的强度。可是在该解决方式中的不利因素是，自然地不可能防止许多作用于转子叶片且对其产生负面影响的力。在US2004/0067134A1的解决方案的上下文中这些力不能由预先部分倾斜的方式抑制，因此作用到转子叶片的力能连续对转子叶片产生负面影响并破坏它。
发明内容
因此，本发明的目的是详细说明一种操作风力发电装置的方法，其通过在运行期间将风力发电装置的部件暴露于至少一些力中，并且已经作用于部件上的力能被抵消来实现。本发明的另一个目的是详细说明一种用于实现这种方法的风力发电装置。
本发明的目的通过操作具有权利要求1的特征的风力发电方法和具有权利要求15的特征的风力发电装置来实现。
因此，确定了一个或多个特征，特别地就测量而言，直接或间接取决于影响部件的力和/或与所述力成反比，这些影响部件的力，例如基于当前风速或风力发电装置的一个或多个操作参数，例如转子叶片的风力冲角，在风力发电装置中除具有至少一个转子外，还具有许多部件，所述转子具有至少一个转子叶片和用于将转子的机械能转化为电能的发电机，而且可能将转子布置在塔上。根据确定的特征，在转子的旋转运动期间通过可控力引入装置，在至少一个部件中产生了反作用力，该反作用力抵消了影响部件的力，即至少临时地、至少部分的或完全补偿这些力。
可控力引入装置可被认为是通过将相应的反作用力引入部件的全部技术装置，其中力引入应当是可控制的。在可控性的最简单的情况，能接通和断开力引入。当使用复杂的力引入装置时，能够调节力引入的大部分可变参数，例如力引入的强度、持续时间、方向和/或力引入的时刻或次数或类似物。特别的，力引入可以是显著周期性的，不仅可以在整个转子旋转运动中，而且可以在特定时间间隔或特定次数中。
在风力发电装置运行期间，优选确定或测量的特征，即特别在转子旋转运动期间，连续地或在某个时间间隔。根据确定或测量值调节将被引入的反作用力的参数。这使反作用力适应作用于部件上力的优化成为可能。
关于特征参数的确定或测量，由于当前风荷载出现在例如风力发电装置的转子叶片上的变形力，可以通过适宜的传感器测量，而且在一个实施例中根据其可以调节反作用力的参数。而且，可以测量出现在转子、转子叶片和/或转子环境中出现的风速，根据这些特征可调节将被引入的反作用力参数。另外或作为另一种替换，可以确定风力发电装置的当前运行参数，例如转子叶片的当前风力冲角、转子旋转频率或旋转速度或类似物，而且根据这些值可以调节将被引入的反作用力参数。
在本发明的另一个优选实施例中，通过特别布置在部件上或部件内的可控张力调整器，将反作用力引入部件，优选地引入转子叶片。
这些反作用力优选地引起转子叶片迎风方向的预拉紧。
正如本领域技术人员所知，可以大多数可变形式布置可控力引入装置，特别是张力调整器。例如，具有例如钢丝绳的缆线的可控牵引装置，也可以通过例如转子叶片或可控的(预拉紧)的其他部件可能地使用。
张力调整器通常具有一个或多个牵引装置，特别是牵引绳、牵引索、牵引链、牵引带或类似物，优选电激活聚合物绳，牵引装置优选延伸出部件壁部外，特别优选在部件的内部。
如果部件构造为转子叶片，牵引装置、特别是牵引绳、牵引索、牵引链、牵引带或类似物，优选地在转子叶片内部但是在转子叶片壁部外部延伸，相对于转子叶片的纵向范围延伸，至少在与叶片连接部连接的第一个三分之一转子叶片部分，然后通过第二个三分之一转子叶片引导，而且至少在与转子叶翼尖连接的最后的三分之一转子叶片中延伸。决定性的因素是构造牵引装置以便抵消作用于转子叶片负面力的反作用力能通过牵引装置传到转子叶片。
在与转子叶片翼尖连接的最后的三分之一处，优选地将牵引装置连接到转子叶片上用于引入力，例如直接连接到转子叶片内的壁部上。在它们的相对端，特别可以将牵引装置连接到转子叶片根部或转子轮毂上，例如连接到转子叶片根部的壁部或连接到转子轮毂上。特别地，可以想象在第一个三分之一转子叶片的区域中、或者例如直接在转子叶片根部或在布置在那的辊或鼓盘上以马达驱动方式的动叶轮毂区域中，可控地拉紧或放松牵引装置，以便分别产生牵引装置的拉紧或拉紧缓和，因而将可控力引入转子叶片。可以想象许多类型的实施例。
张力调节器可以具有电激活聚合绳，当用于电激活电压时改变其长度。在部件内/上、特别在转子叶片内/上的这些绳的相应布置，可以利用该长度变化产生合适的部件变形，其抵消风引起的变形或甚至完全补偿这些变形。
相应地，通过部件特别是转子叶片的变形或预张力控制反作用力的引入，以便例如由于风荷载，在相反方向由部件变形有效地抵消部件暴露的力。
在本发明的另一个实施例中，当转子叶片特别是当指尖向下置于塔通道的区域内，即经过塔表面时，可以周期地控制该转子叶片或每个转子叶片内的力引入，以便减少塔通道外的转子叶片受到的预张力。然后在塔区域外，转子叶片的预张力又增加到各自预期的初始值。如果没有塔区域的预张力的周期性减少，将存在预张力大于在塔通道内的低风载荷必需值的风险。如果没有预张力的减少，在塔通道期间，转子叶片将可能离开通常旋转平面进入迎风区域，这可能导致加载于转子叶片上和不利的空气动力条件。，。
根据本发明的另一个方面，根据空间至少水平远离风力发电装置的迎风侧上的转子所测的一个或多个参数，其描述了测量区域的风力条件，优选风速和/或风向，将反作用力引入部件、特别是转子叶片。选择其中测量风力参数的远离转子的水平距离，以便在形成风力参数基础的风，特别是风前部或阵风到达转子之前能引入反作用力。
在该过程期间，在基于地面的垂直距离可以测量至少一个风力参数，其数值存在于一个完整周转中最接近地面的点和最远离由转子叶片描述的区域的地面的点之间的间隔。而且，在一个周转中的来自最接近地面的点和最远离由转子叶片描述的区域的地面点的地面的垂直距离的数值间隔中，测量至少两个风参数，该点或该区域相对彼此的垂直距离，其中所测的风参数，至少为50cm，优选至少为2米，特别优选至少为5米。
参照迎风的风力发电装置侧的正视图可以测量至少一个风参数，在围绕转子轮毂的假想环状区域中，环状区域的内径大于转子轮毂和转子翼尖之间的间距的一半，其外径大于转子轮毂和转子翼尖之间间距的3/4，优选地与转子轮毂和转子翼尖之间整个间距同样大，或比它们之间的整个间距大。
通常可以由位置和/或时间解决方案来测量风参数。
而且，在许多空间彼此分离的测量点，优选由时间解决方案，可以测量在测量点给定的每种情况中的风速和/或风向。
根据本发明，优选地通过可控变形材料产生反作用力的引入。除以上提及的电激活聚合物之外，这些材料可以是所有能够可控地实现尺寸改变的材料。
在本发明的范围内，至少结合了部分材料，例如，直接在部件壁部本身，在转子叶片壳内的可控变形的电激活聚合物。至少一层部件壁至少可以包含部分这些材料。特别采用这些变形材料可以覆盖该部件或转子叶片。
优选地通过控制器由力引入装置的控制适当参数部件或转子叶片的变形，例如调节张力调节器，以及电激活聚合物绳的活化电压。
在本发明的特定实施例中，在一个或每个转子叶片的叶片端引入反作用力，该反作用力特别在转子中心方向产生叶片端的预张力。由于各自转子叶片的固有重量，转子叶片的叶片端(其往往为铸铁)受到大的循环荷载，其能够由预张力减少。由于固有重量的影响在当指尖向下的转于叶片置于塔通道的区域中时是最大的，即通过塔表面，应当至少在转子叶片置于该区域内的时间间隔内产生预张力。
根据本发明，也可以在风力发电装置的塔中提供引入反作用力，例如以抵消塔振动或类似物。为了该目的，可以想象将可控张力调节器布置在塔内，以便张力调节器相应地抵消塔的移动。正如在转子叶片的情况中，可以以适宜的方式布置电激活聚合物绳获得该目的。以类似的方式，通过张力调节器预张力机舱连接部，在与塔连接的机舱的机舱连接部中引入反作用力，其中反作用力抵消作用于机舱连接部的力。原则上，可以想象以以上描述的方式将反作用力引入到风力发电装置的大多数可变部件中。
由所附权利要求、随后的优选示意实施例的描述和附图，获得本发明的其它特征，其中图1示出了根据本发明的风力发电装置的侧视图；和图2示出了根据本发明的通过转子叶片的纵向部分，其具有带有电激活聚合物绳的力引入装置。
具体实施例方式
图1示出了风力发电装置10，基具有布置在水平地面12上布置的垂直塔14的顶端的机舱16。正如现有技术中本领域技术人员所知的，可以想象许多类型的用于风力发电装置的塔的准确布置的实施例。当然本发明不局限于附图中描述的截短的锥形塔14。
在机舱16迎风的一端，布置具有轮毂20的转子18。三个转子叶片22连接到轮毂20上，转子叶片的根部22插入轮毂20中的相应开口中，并且以常见的方式连接到后者上。
转子18围绕轴旋转，该轴轻微地相对于水平线倾斜于顶部。一旦风撞击转子叶片22，转子18和它的转子叶片22就围绕转轴旋转。转轴的运动由置于机舱内的发电机转变为电流。在旋转期间，转子叶片22通过环状区域。转子叶片22的位置能够由调节装置单独相对于风改变，图中未示出，但是在现有技术中本领域技术人员所知，即转子叶片22相对于风的冲角是能调节的。
因为在现有技术中已知具有至少大约水平布置的转轴的风力发电装置10的主要结构，所以省略详细描述。
在运行中，由于风压的作用，转子叶片22在转子18的旋转运动中面向远离风侧方向上的变形。现有技术中仅仅补偿部分该风引起的变形，这是由于各自动叶叶顶24已经在生产中在迎风侧的方向稍微预弯曲。在生产中的预弯曲仅在某个基准速度导致适当的结果。反过来，由于风引起的变形的预弯曲至少在明显偏离该基准速度的速度下，转子叶片22相对于风的各自位置是不适当的。
为了这个目的，根据本发明，由风压产生力的反作用力，其相反指向风引起力当前作用或至少大约补偿但是至少减少这些力，在风力发电装置运行期间将该反作用力引入每个转子叶片22中。
通过可控力装置将这些反作用力引入每个转子叶片22中。对照图2，在每种情况中每个转子叶片22的每个可控力引入装置包含可控张力调节器25，通过其转子叶片22可以相对于风向预张力。张力调节器25具有至少一个电激活聚合物绳26或至少部分结合电激活聚合物的材料的绳。
在转子叶片根部的纵向看，每个电激活聚合物绳26连接到转子叶片翼尖24的区域的各个转子叶片22上，即在最后一个三分之一动叶片处。在转子叶片22内，使绳26从该最后三分之一转子叶片通过第二个三分之一转子叶片，引到与转子叶片叶根连接的第一个三分之一转子叶片处。聚合物绳26的另一端最终连接到适宜的位置，特别在转子轮毂22处、在转子叶片22的与转子叶片翼尖24相对的一端。通过触发电激活聚合物绳26，每个转子叶片22可以从第一位置I(没有预张力)改变为第二位置II(预张力位置)。在第二位置II，转子叶片22的预张力为迎风方向。
该电激活聚合物绳26由应用适当的电激活电压触发，而且具有减少绳26长度的影响。如果没有补偿反作用力，聚合物绳长度的减少将导致将转子叶片22从位置I转为位置II。
电激活绳26，和每个转子叶片22的预张力可以通过控制装置调节适当的参数来控制，图中未示出。电激活绳26的长度减少的数值，因而预张力的大小，其抵消风引起的转子叶片22的变形，可以通过调节所应用的电压来调节。最后，在指向迎风方向因此抵消风引起的力的力部件的大小和方向可以以这种方式调节。
在每种情况下的当前风速由合适的传感器测量。然后根据该特征控制以上描述的反作用力引入。在高风速时，因此大的风花载，每个转子叶片22在迎风方向预张力到相应的程度。在更低风速时，转子叶片22预张力到更小的程度。
可以控制反作用力引入，和每个转子叶片22的预张力，以便使最佳预张力匹配给定的每种风荷载或风速。
参考名称表10 风力发电装置12 地面14 塔16 机舱18 转子20 轮毂22 转子叶片24 转子叶片翼尖25 张力调节器26 电激活聚合物绳
权利要求
1.一种用于风力发电装置的操作方法，其中风力发电装置(10)除具有至少一个转子(18)之外，还具有许多部件，所述转子具有至少一个转子叶片(22)和用于将转子(18)的机械能转化为电能的发电机，其中一个或多个特征被确定，特别是被测量，其直接或间接地与作用到部件(22)上的作用力成正比和/或与这些作用到部件上的作用力成反比，例如当前风速或风力发电装置的运行参数，例如转子叶片的迎风角，其特征在于在转子(18)的旋转运动期间，根据确定的特征，引入抵消作用于部件(22)上的力的反作用力，即至少临时地、至少部分或完全平衡这些力的反作用力到部件(22)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过可控拉伸装置引入部分或完全补偿作用于部件(22)上的力的反作用力。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于在转子(18)旋转运动期间，根据确定或测量的特征调节引入的反作用力参数，优选为引入力强度、持续时间、方向和/或时间或次数。
4.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于在转子(18)旋转运动期间，将反作用力至少引入一个部件(22)中，优选引入一个或每个转子叶片(22)中，所述反作用力抵消了由于风荷载相关的力引起的部件(22)的移动或变形。
5.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于与风荷载相关的力直接在部件内或部件上测量，优选在转子叶片(22)内或转子叶片上测量，其中根据所测量值调节反作用力参数。
6.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于将反作用力引入部件(22)，优选转子叶片(22)，特别在迎风方向，所述反作用力产生了部件(22)的预张力，特别优选一个或每个转子叶片(22)的预张力。
7.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于特别在转子中心方向上产生叶片连接部预张力的反作用力被引入一个或每个转子叶片(22)的叶片连接部内。
8.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于反作用力至少按时间间隔产生叶片连接部的预张力，其中在旋转运动过程中，转子叶片(22)处于塔通道区域中。
9.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于将抵消塔振动的反作用力引入塔(14)。
10.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于将抵消连接到塔(14)上机舱(16)的振动的反作用力引入机舱连接部。
11.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于周期性地控制所述或每个转子叶片(22)内的反作用力的引入，以便在旋转运动期间当转子叶片位于塔通道区域时，特别是尖端向下时，在塔通道外加载到转子叶片(22)的预张力减小。
12.如以上一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于根据在空间至少水平远离风力发电装置(10)的迎风侧上的转子(16)所测的一个或多个参数，将反作用力引入部件，特别是转子叶片(22)中，参数描述了测量区域的风力条件，优选风速和/或风向，选择测量风力参数的远离转子的水平距离，以便在形成风力参数基础的风，特别是风前部或阵风到达转子(16)之前能引入反作用力。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于参照期望的主要风流，在布置在风力发电装置(10)的迎风侧的区域测量风力参数。
14.如以上权利要求12-13中的一个或多个所述的方法，其特征在于在水平距离转子(16)至少1米、优选至少10米、特别优选至少20米处，测量至少一个风力参数。
15.一种风力发电装置，特别用于实现如权利要求1-14中的一个或多个所述的方法，其具有多个部件，至少一个转子(18)，所述转子具有至少一个转子叶片(22)和用于将转子(18)的机械能转化为电能的发电机，其特征在于在转子叶片(22)的旋转运动期间，通过可控力引入装置将反作用力引入至少一个部件(22)中，所述反作用力抵消了作用于部件(22)上的力，特别是风荷载，即至少临时地、至少部分地或完全地平衡了这些力。
16.如权利要求15所述的风力发电装置，其特征在于可控力引入装置包括可控拉伸装置(25)，通过该拉伸装置，部件(22)特别是转子叶片(22)可以加载机械预张力。
17.如权利要求15或16所述的风力发电装置，其特征在于拉伸装置(25)具有一个或多个牵引装置，特别是牵引绳、牵引索、牵引链、牵引带或类似物，优选电激活(eletroactive)聚合物绳(26)，其中牵引绳、牵引索、牵引链或类似物优选延伸出部件(22)的壁部外，特别优选在部件(22)的内部。
18.如权利要求17所述的风力发电装置，其特征在于牵引装置，特别是牵引绳、牵引索、牵引链、牵引带或类似物在转子叶片内部但是在转子叶片壁部外部延伸，其中它们相对于转子叶片的纵向范围，至少连续地在与叶片连接部连接的第一个三分之一转子叶片部分，然后引导通过第二个三分之一转子叶片，而且至少连续在与转子叶片翼尖连接的最后的三分之一转子叶片中延伸。
19.如权利要求17或18所述的风力发电装置，其特征在于为了力引入的目的，相对于转子叶片的纵向范围将牵引绳、牵引索、牵引链或类似物连接到与转子叶片翼尖连接的最后一个三分之一转子叶片上。
20.如权利要求15-19中的一个或多个所述的风力发电装置，其特征在于以这样的方式构造所述的电激活聚合物，特别是电激活聚合物绳，通过它们的激活使转子叶片(22)可以在迎风方向加载预张力。
21.如权利要求15-20中的一个或多个所述的风力发电装置，其特征在于包括控制和/或调节装置，通过所述装置可以控制和/或调节力引入装置，特别是可控的可变形材料(26)。
22.如权利要求15-21中的一个或多个所述的风力发电装置，其特征在于包括传感器，通过传感器可以测量作用于部件(22)上的力。
全文摘要
本发明涉及一种风力发电装置的操作方法，其中风力发电装置(10)除具有至少一个转子(18)之外，还具有许多部件，以及可能将转子(18)布置其上的塔(14)，所述转子具有至少一个转子叶片(22)和用于将转子(18)的机械能转化为电能的发电机。在转子叶片(22)的旋转运动期间，通过可控力引入装置，将抵消作用于部件(22)上的力的反作用力引入至少一个部件，即至少临时地、至少部分的或完全补偿这些力。
文档编号F03D7/04GK101092939SQ20071010535
公开日2007年12月26日 申请日期2007年4月27日 优先权日2006年4月27日
发明者M·施托梅尔 申请人:道布纳&施托梅尔机械设计规划合伙公司