用于紧急运行中的风能设施的方法以及控制装置和风能设施与流程

本发明涉及一种用于紧急运行中的风能设施的方法以及一种控制装置和一种风能设施。。

背景技术：

根据现有技术，风能设施具有多个部件，所述部件可以根据当前存在的风况来设定，以便使风能设施的发电量最大化。为了设定或调节可设定的部件需要能量。

因此，在当代风能设施中，例如空气动力学的转子的转子叶片围绕其纵轴线转动，即调节，使得转子叶片理想地由风迎流。转子叶片的由此产生的推力用于在通过空气动力学的转子驱动的发电机转子中产生转矩。因此，动力学的风能借助风能设施的发电机转换成电能。

此外，当代的风能设施包括风向跟踪，以便将整个空气动力学的转子对准到当前存在的风向中。风向跟踪也称为方位设定。因此，转子叶片平面，即风能设施的转子叶片旋转所处的平面，基本上垂直于风迎流定向，使得由此确保转子的对称的迎流。通过对称的迎流，降低弯矩并且使收益最大化。

转子的迎流因此表示在风向和转子位置之间的关系。在对称的迎流的情况下，转子平面通过风向跟踪基本上垂直于风向定向，或者换言之，转子的旋转轴线在对称的迎流的情况下平行于当前的风的方向矢量定向。因此，对于对称的迎流也使用术语平行迎流。此外，在对称的迎流的情况下，风从前方，即从转子的不指向风能设施的吊舱的一侧，吹到转子平面上。

然而存在如下情形，在所述情形中不可能的是，风能设施的部件匹配于改变的风况。在此，例如提出风能设施的紧急运行，其中风能设施与电网分离从而不能够从电网中提取能量以调节风能设施的机械部件。

因此，对于所述情形，风能设施的机械部件，尤其转子轴，过尺寸地设计，以便避免由于负荷，例如在横向迎流时，造成的损坏，转子借助所述转子轴以支承的方式安装在风能设施的固定部分上。

因此，那么风能设施与对于其用于正常运行相比更稳定地构成，在所述正常运行中可以从电网中提取和馈入能量。然而，这种附加的稳定性造成附加的制造成本，并且也在正常运行中部分地降低风能设施的效率进而降低收益。

从现有技术中因此已知的是，在风能设施中设有储能器，以便将转子叶片也在紧急运行中转移到预定位置中。由此，能够实现转子叶片的空转，使得如果未设有用于转子的制动装置，那么至少转子的旋转速度在紧急运行中可以可靠地保持在预定的旋转速度上限之下。

因此，只要风能设施与电网分离，那么假设的紧急运行提出，转子叶片从当前位置中一次性转移到预定位置中。相应的紧急能量源针对该一次性调节来设计。风向跟踪的调节或方位设定，即方位角的设定，迄今为止在紧急运行中未提出，因为对此所需的、同样必须在紧急储能器中设有的能量是非常高的，从而需要提供用于调节转子叶片的紧急供能的数倍大的紧急供能。与此相应地，此外需要风能设施的超尺寸，以便避免在紧急情况下在倾斜迎流时的损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是，解决在上文中在现有技术中提出的问题。尤其地，应降低对风能设施的稳定性要求，以便尽可能地避免风能设施的必须针对在紧急运行中的倾斜迎流的情况设计的超尺寸或者至少使超尺寸的程度最小化。

德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索到如下现有技术：us2011/0076142a1，wo2007/132303a1，us2010/0078939a1和us2011/0280725a1。

对此，本发明包括一种用于紧急运行中的风能设施的方法。风能设施因此处于紧急运行从而与电流网分离。与电流网分离在此不强制性地表示，必须进行物理分离，然而也包括所述情况。在任何情况下，与电网分离表示，不能够从电网中提取用于风能设施的运行的能量。用电网表示电流供应网，经由所述电流供应网风能设施在正常运行中提供生成的能量，以便将其例如输送给消耗器。

根据该方法，探测风向的改变。附加地或替选地，探测至少一个作用于风能设施的力的改变。随后，在保持方位设定的当前的方位角的条件下，将转子叶片中的至少一个转子叶片调节成另一角度，其中所述角度与探测到的改变相关。

探测在此不视作为测量。更确切地说，优选地为了探测风向改变首先连续地或分区间地优选绝对地测量风向，和/或为了探测力改变首先连续地或分区间地优选绝对地测量力。如果用于当前测量的风向和/或力的测量值与之前测量的风向或力不同，那么才在考虑之前的测量的条件下，例如在控制装置中，从所述测量中探测改变。

风向的改变表示，首先存在第一风向，并且所述第一风向改变成第二风向。从第一风向到第二风向的所述改变那么对应于风向的可探测到的改变。作用于风能设施的力的改变涉及优选通过当前的或盛行的风施加力的改变。如果风改变，即尤其风向或风力改变，那么作用于风能设施尤其风能设施的部件的特定的力改变。所述力改变中的优选预先限定的至少一个力改变因此与风相关地改变，其中探测到所述改变。

对此使用例如在塔和/或转子叶片上设置的例如一个或多个传感器，如应变计。优选地，对此三个或四个传感器在塔上均匀地沿环周方向设置。在此，力通常也理解成每个力变量，所述力变量除了直接作用的力之外也包括力矩，尤其弯矩，或其他负荷。

根据该方法，因此监控、测量或检测风向或至少一个力，并且在风向或力改变的情况下，探测所述改变，使得随后执行方法的其他步骤。因此，转子叶片中的至少一个转子叶片不同于在风向改变或力改变之前已占据的位置来设置。即如果转子叶片在第一风向或力的情况下具有第一位置，那么将转子叶片调节成，使得所述转子叶片在改变后，即在第二风向或力的情况下，具有第二位置。

由此能够实现，在风能设施的倾斜迎流和由于紧急情况调节方位角不可能的情况下，尽管如此也可以使通过风作用到风能设施上的力最小化。风能设施的负荷因此在倾斜迎流的情况下降低并且风能设施因此不必或至少更小程度地超尺寸设计。

根据第一实施方式，将至少一个转子叶片调节到如下角度，所述角度在保持方位角即在当前的方位角的情况下不同于尤其在对称的迎流的情况下顺桨位置的角度。

根据另一实施方式，在探测到风向的改变和/或力的改变之后，调节转子叶片中的至少一个转子叶片，使得转子叶片的角度设定成如下角度，从所述角度中产生作用于至少一个转子叶片和/或转子和/或转子轴的力和/或弯矩，所述力和/或弯矩与一个或多个其他角度相比最小化。优选地，将转子叶片置于相对于新的风向即改变后的风向的顺桨位置，使得基本上消除通过所述风向在吸力侧和压力侧上出现的力。

因此，在倾斜迎流时在风能设施上产生的力降低。

根据另一实施方式，如果在第一风向和第二风向之间的水平的角度差大于预先限定的角度差阈值，那么探测到风向的改变。与此相应地，只要角度差处于角度差阈值或小于角度差阈值，那么探测到风向未改变并且转子叶片保持在当前位置中。由此避免，在小的角度差的情况下，已经进行叶片调节，尽管如此仍没有由于因此仅小的倾斜迎流造成的高的负荷施加到转子叶片或风能设施上。因此避免转子叶片的不必要的来回调节。角度差阈值优选地位于1至10度的范围中，尤其位于2至5度的范围中，并且可以通过模拟来预先确定。

附加地或替选地，根据该实施方式，如果在第一探测到的力和第二探测到的力之间的力差大于第一预先限定的力差阈值，那么探测到施加到风能设施上的力的改变。同样地，如果力差处于力差阈值或低于力差阈值，那么探测到施加到风能设施上的力未改变。

根据另一实施方式，确定风速并且与预先限定的风速阈值比较。如果风速高于预先限定的风速阈值，那么在探测到风向或风能设施上的力改变的情况下，保持方位角并且同时将至少一个转子叶片调节到另一角度中。如果风速低于风速阈值或处于风速阈值，那么转子叶片保持在当前位置中。风速的所述确定和与风速阈值的比较优选地在探测风向的改变的步骤之前进行。风速阈值同样可以通过模拟预先确定。

在此考虑，从出现由于高的风速造成的特定的力开始，才可能在风能设施上出现损坏。如果风速保持低于在此称作为风速阈值的所述界限，那么不存在对于风能设施的风险从而也不需要调节。如在上文中那样，根据该实施例，因此避免一个或多个转子叶片的不需要的调节过程。

根据另一实施方式，如果被监控的力超过预先限定的力阈值，那么探测到作用于风能设施的至少一个组成部分、尤其作用于一个或多个转子叶片、转子或转子轴的至少一个力的改变。为了监控力例如使用传感器，如例如应变计。因此，例如测量转子轴或一个或多个转子叶片上的弯矩，并且从测量中确定作用于风能设施的至少一个组成部分的至少一个力。随后，将所述一个力或多个力与力阈值比较。

探测改变以及保持方位设定的方位角和调节转子叶片中的至少一个转子叶片那么仅在如下情况下才进行：特定的力高于力阈值。如果力低于力阈值或者处于力阈值，那么转子叶片保持在当前位置中。至少一个力的所述确定和与力阈值的比较优选地在探测风向的改变的步骤之前进行。力阈值同样可以通过模拟来预先确定。

因此，对风速替选地或附加地，确定通过风施加到风能设施上的力，并且通过规定力阈值，只要所述力会引起风能设施的损坏，那么才调节至少一个转子叶片。因此另一方面，如果通过确定的出现的力不存在损坏的风险，那么可以避免转子叶片的调节。

根据另一实施方式，从风能设施的紧急供电装置尤其蓄电池中提取用于调节转子叶片的能量。

因此，如果不能够从风能设施所连接的电网中提取能量，那么在紧急运行中执行所述方法。通过提供紧急供电和供应用于调节转子叶片的马达，因此可以调节转子叶片，而不必从电网中提取能量。

根据另一实施方式，尤其当假设每个调节过程包括每个转子叶片围绕其纵轴线转动至少90度时，在紧急运行中为全部转子叶片的两个或更多个调节过程设计紧急供电或设计尺寸。因此，在紧急运行期间在倾斜迎流多次改变时多次调节转子叶片是可能的。因此，在例如已探测到风向的第一次改变和已相应地调节转子叶片之后，在风向继续改变时可以重新设定转子叶片。

根据另一实施方式，转子叶片可围绕纵轴线转动360度。因此如果风向相对于转子的前侧的对称迎流改变180度，那么风的方向矢量在风向改变之后因此指向转子叶片平面的背侧。在该情况下，转子叶片能够调节180度。在横向迎流的情况下，转子叶片在当前的方位角下观察相对于在水平迎流时即在对称迎流时的顺桨位置分别相应地调节90度或270度。与风向无关地，转子叶片因此可以设定成，使得通过风引起的尽可能小的力与方位角无关地作用于转子叶片。

根据另一实施方式，转子叶片可单独地调节。因此，每个转子叶片可以设定成，使得通过风引起的尽可能小的力作用于相应的转子叶片。

此外，本发明包括一种用于风能设施的控制装置，所述控制装置设计成，执行根据上述实施方式之一的方法。优选地，控制装置对此包括计算单元和一个或多个传感器，尤其用于探测风向、风速、作用于风能设施的至少一个力和/或其他参数作为传感器数据。风能设施那么设计成，将传感器数据传递给控制装置。

此外，控制装置用于在紧急运行中借助紧急供电来运行风能设施，以便调节转子叶片。在此，控制装置设计成，促使执行器来调节转子叶片，相应地调节到在控制装置中确定的位置中。调节与风向的探测到的改变相关地确定。

此外，本发明涉及一种具有根据上述实施方式之一所述的控制装置的风能设施。

附图说明

其他的实施方式根据在附图中详细阐述的实施例得出。

图1示出风能设施的侧视图，

图2示出风能设施的俯视图，其中转子叶片处于顺桨位置，

图3示出图2中的具有改变的转子叶片位置的视图，

图4示出图2和3中的具有再次改变的转子叶片位置的俯视图，以及

图5示出该方法的一个实施例的步骤。

具体实施方式

图1示出具有塔12和吊舱14的风能设施10。在吊舱14上设置有具有三个转子叶片18和一个导流罩20的空气动力学转子16。转子16在运行中通过风置于转动运动中，从而驱动吊舱14中的发电机。

吊舱14可以围绕竖直轴线22沿箭头方向24调节。所述调节也称为方位设定或风向跟踪从而用于设定风能设施10的方位角。方位设定因此用于将转子16对准当前存在的风向26。在此示出的方位或方位角例如定义为零度的方位角。在此处示出的方位角以及当前存在的风向26下，谈及平行迎流或对称迎流。这是如下情况：风26基本上平行于转子轴28从前侧30吹到转子16上。

转子叶片18同样能围绕其纵轴线32转动。这通过箭头34示出。在当前的情况下，转子叶片18在顺桨位置中定向。这表示，从风向26吹到转子16上的风不产生或仅产生小的作用于转子轴28的转矩。对此的原因是，转子叶片18的位置引起，作用于相应的转子叶片18的力基本上抵消或相加为零。

如果风能设施10不应将能量馈入到电网中或者风能设施10处于紧急运行中，其中在所述紧急运行中不能够从电网中提取用于进一步受控地调节风能设施10的能量，那么优选地占据所述顺桨位置。

图2示出图1中的风能设施10的俯视图。相同的附图标记对应于相同的特征。在图2中，风能设施10也朝向风定向从而存在平行迎流。转子叶片18同样调整到顺桨位置中。作用于风能设施10的负荷因此最小化。

图3现在示出用于按照根据本发明的方法调节的转子叶片18的第一实例。在此，现在风向26以90度从在图2中示出的第一风向26a相对于图2中的风向顺时针转动到第二方向26b中。因此，现在不再提到如在图2中示出的平行迎流，而是通常提到倾斜迎流或者在此特别提到横向迎流。相应地，风能设施10探测到，风向从第一风向26a改变成第二风向26b。替选地或附加地，所述风向改变也可以通过作用于风能设施10的力的改变而被探测到。负荷或负荷改变对此例如借助应变计监控。

如在图3中所示，虽然风向改变，但保持方位设定的方位角，并且转子叶片18移动到另一角度中，所述另一角度也可以称作为第二角度。第二角度不同于在当前的方位定向中在平行迎流时用于顺桨位置的角度。因此，现在转子叶片18相对于风设置成，使得尽可能小的力由于风作用于转子叶片18。在图3中可见的是，转子叶片18相对于图2中的位置调节90度。

在图4中示出用于探测到的改变的风向26和/或作用于风能设施10的改变的力的另一实例，其中风向26现在对准风能设施10的背侧。在此也在保持方位角的条件下调节转子叶片18，因为风向或力的改变，即已探测到与在当前的方位定向中的平行迎流不同的风向。转子叶片18在此调节成，使得从风向26观察，所述转子叶片处于顺桨位置中，其中所述顺桨位置与如在图2中在当前的方位定向中在平行迎流时的顺桨位置不同。

与风向26相关地，因此转子叶片18的位置，即桨距角，匹配于改变的风向26。

图5示出根据一个实施例的方法的步骤的一个实施例。在步骤50中监控风向26或作用于风能设施10的力，并且在步骤52中探测到风向26或力改变。因此，在步骤54中保持风能设施10的方位设定的方位角，并且在步骤56中与改变的风向26相关地调节转子叶片18。