ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2017 года по МПК F03D7/02 

Настоящее изобретение относится к способу управления ветроэнергетической установкой для выработки электроэнергии из энергии ветра. Кроме того, настоящее изобретение относится к соответствующей ветроэнергетической установке с ротором с роторными лопастями с по существу горизонтальной осью вращения.

Ветроэнергетические установки общеизвестны, и в настоящее время наиболее часто встречающимся типом ветроэнергетической установки является так называемая ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью. Здесь ротор с роторными лопастями вращается вокруг по существу горизонтальной оси вращения. Ось вращения может быть слегка наклонена, например, на несколько градусов, но среди специалистов все равно обозначается как горизонтальная ось, в отличие от полностью других типов установок, например, так называемого ротора Дарье.

Ротор такой ветроэнергетической установки с горизонтальной осью перекрывает, по существу, вертикальную роторную плоскость или соответственно роторную поверхность. Эта роторная поверхность также и в современных ветроэнергетических установках проходит в значительной степени в вертикальном направлении. При этом каждая роторная лопасть достигает за один оборот своей законцовкой лопасти самую низкую точку этой роторной поверхности в 6-часовом положении и самую высокую точку этой роторной поверхности в 12-часовом положении. Эта самая высокая точка иногда может располагаться в несколько раз выше, чем самая низкая точка. Например, ветроэнергетическая установка ENERCON типа Е-82 имеет диаметр ротора 82 м, и есть вариант, в котором высота ступицы, то есть высота оси или соответственно центральная точка роторной поверхности расположена на высоте 78 м. Самая низкая точка расположена в данном случае, таким образом, на высоте 37 м, а самая высокая точка - на высоте 119 м. Самая высокая точка, следовательно, лежит более чем в три раза выше, чем самая низкая точка. Даже при больших высотах ступицы имеется значительная разница по высоте между этой самой низкой и самой высокой точкой роторной поверхности.

На практике следует учитывать, что ветер имеет естественный профиль по высоте, в соответствии с которым он - для соответствующих высот - при увеличении высоты над землей становится выше или соответственно сильнее. Разница в высоте перекрываемой роторной поверхности приводит, таким образом, к тому, что имеет место соответственно отличающийся по силе ветер. Соответственно, ветер в самой низкой точке является самым слабым, а в самой высокой точке - самым сильным. Другими словами, ветроэнергетические установки обдуваются более или менее сильными сдвиговыми течениями внутри атмосферного пограничного слоя. Это можно назвать профилем ветра по высоте, и этот профиль ветра по высоте вызывает при эксплуатации ветроэнергетической установки флуктуацию локального угла атаки на роторной лопасти, так что могут возникать нежелательные переменные нагрузки и неоднородная отдача крутящего момента. Также могут возникать усиленные эмиссии звука из-за срыва потока на роторной лопасти.

Следует отметить, что в настоящей заявке эти проблемы, в частности, рассматриваются через профиль ветра по высоте, и на это делаются ссылки. Разумеется, также различные турбулентные ветры могут привести к различным подходам. Однако эти проблемы здесь исключены, потому что ими часто можно пренебречь, или если ими нельзя пренебречь, они требуют отдельного рассмотрения, которое не является предметом настоящей заявки.

Для того чтобы решить эту проблему или эти проблемы, в US 6,899,523 уже была предложена конструкция лопасти, которая имеет различные участки, которые рассчитаны для различных коэффициентов скоростей. Из US 2010/0290916 известна так называемая интегральная конструкции лопасти, при которой роторная лопасть выполняется так, что она имеет все еще удовлетворительное аэродинамическое качество за максимально возможный угол атаки или угол набегающего потока. Таким образом, было предложено, оптимизировать лопасть по возможности не на один единственный по возможности оптимальный угол атаки лопасти, а лучше обеспечивать несколько больший диапазон по отношению к углу установки, даже если аэродинамическое качество для оптимального угла установки более не является абсолютно оптимальным.

С увеличением размера ветроэнергетических установок могут, однако, возрастать различия из-за профиля ветра по высоте и соответствующие этому проблемы.

Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам в результате поиска в отношении приоритетной заявки для настоящей заявки выявило следующие источники предшествующего уровня техники: US 6899523 В2, US 2010/0074748 A1, US 2010/0078939 A1, US 2010/0092288 A1, US 2010/0290916 A1 и BOSSANYI, E.A.: Individual Blade Pitch Control for Load Reduction. In: Wind Energy, Vol. 6, 2003, S. 119-128. Online-ISSN: 1099-1824.

Таким образом, в основе настоящего изобретения лежит задача, направленная на решение по меньшей мере одной из вышеуказанных проблем. В частности, должно быть предложено решение, при котором обусловленные профилем ветра по высоте нагрузки снижаются, звуковые эмиссии снижаются, и/или производительность увеличивается. По меньшей мере должно быть предложено альтернативное решение.

В соответствии с изобретением предложен способ по пункту 1 формулы изобретения.

Таким образом, предусмотрена ветроэнергетическая установка, которая имеет аэродинамический ротор с роторными лопастями с по существу горизонтальной осью вращения, чтобы генерировать электрическую энергию из энергии ветра.

При этом ветроэнергетическая установка ориентирована таким образом, что азимутальное положение отклоняется от ориентации точно по ветру на угол регулировки азимута. До сих пор ветроэнергетические установки своим азимутальным положением ориентировались точно по ветру, чтобы также обеспечить возможность использования ветра оптимальным образом. Согласно изобретению, однако, предлагается азимутальное положение или азимутальную ориентацию ветроэнергетической установки сознательно переместить относительно этой оптимальной ориентации по ветру, а именно на угол регулировки азимута. Было обнаружено, что за счет этой азимутальной регулировки переменные нагрузки на роторных лопастях, обусловленные профилем ветра по высоте, могут уменьшаться. Роторные лопасти перемещаются тогда не полностью под прямым углом к ветру, а слегка наклонно к нему. При подходящем выполнении этой азимутальной регулировки это означает, что каждая роторная лопасть посредством этого наклонного перемещения относительно ветра в верхней части роторной поверхности несколько смещается по направлению от ветра, а затем в нижней части несколько смещается по направлению к ветру.

Согласно одной форме выполнения предложено, что ветроэнергетическая установка при рассмотрении с ветроэнергетической установки в направлении ветра отклоняется вправо от ориентации по ветру, или что она в своем азимутальном положении при рассмотрении сверху на ветроэнергетическую установку отклоняется по часовой стрелке относительно ориентации по ветру. Таким образом, ветроэнергетическая установка в своем азимутальном положении смещается вправо. Это связано с направлением вращения ротора, который обычно, при рассмотрении с ветроэнергетической установки, вращается влево, или соответственно при рассмотрении спереди, а именно, по определению, исходя из направления ветра на ветроэнергетическую установку вращается вправо. Если ветроэнергетическая установка, в отличие от этого обычного направления вращения, при рассмотрении с ветроэнергетической установки должна вращаться вправо или при рассмотрении спереди, а именно, по определению, исходя из направления ветра на ветроэнергетическую установку должна вращаться влево, то необходимо соответственно скорректировать предложенную азимутальную регулировка.

Угол регулировки азимута в диапазоне от 0,5° до 10° уже может привести к полезным эффектам, а именно, выравниванию нагрузки лопастей, т.е. снижению переменных нагрузок. Предпочтительно этот диапазон составляет от 1° до 3,5°, и, в частности, предложен диапазон от 1,5° до 2,5°, который в исследованиях привел к положительным результатам. Такие относительно низкие значения также имеют преимущество, состоящее в том, что нужно учитывать незначительную потерю прибыли из-за неоптимальной установки азимутального угла. В первом приближении, зависимость производительности от установки азимутального угла относительно ветра описывается функцией косинуса. То есть, для угла 0, то есть, оптимальной ориентации, существует максимальное значение 1, которое при незначительных угловых отклонениях никогда не уменьшается до нуля, как это известно для функции косинуса.

Согласно одной форме выполнения, предлагается, что угол регулировки азимута выбирается в зависимости от преобладающей скорости ветра. Так, например, при слабом ветре может выбираться меньший угол регулировки азимута, чтобы ветроэнергетическую установку лишь незначительно отклонять от оптимальной ориентации по ветру, потому что, например, при слабом ветре абсолютная нагрузка ниже, и, следовательно, переменные нагрузки имеют меньшее воздействие, в частности, вызывают меньшие явления усталости. При этом преобладающая скорость ветра может регистрироваться, например, анемометром на ветроэнергетической установке или другим способом.

Дополнительно или альтернативно, предлагается, что соответствующий угол установки роторных лопастей регулируется относительно цикла вращения таким образом, что обусловленные профилем ветра по высоте переменные нагрузки уменьшаются. Угол установки лопасти при этом обозначает угол атаки роторных лопастей, который также называют углом наклона. При этом угол установки лопасти может регулироваться, в частности, так, что он в верхней области роторной поверхности перемещается несколько в противоположном направлении от ветра, а в нижней области роторной поверхности несколько перемещается по направлению к ветру. Это необходимо осуществлять, в частности, относительно цикла вращения, то есть не на основе непрерывных измерений и поэтому возможно не в виде регулирования, а с фиксированными значениями, которые соотнесены с положением вращения или диапазонами положения вращения каждой лопасти. При этом такое соотнесение может учитывать и другие параметры, такие как преобладающая скорость ветра, зависимость от местоположения, направление ветра, время года и время суток. Постоянное измерение нагрузки лопасти, как, например, путем измерения изгиба лопасти, может не выполняться. Соответственно, можно также избегать возможных проблем стабильности из-за регулирования, хотя осуществление регулирования также может быть одним из вариантов реализации.

Снижение переменных нагрузок путем регулировки угла установки лопасти роторных лопастей относительно цикла вращения может быть основано на ранее записанных измеренных значениях или ранее вычисленных значениях или на опытных значениях этой или других установок. Соответственно осуществляется индивидуальная установка угла установки каждой роторной лопасти в отдельности. Индивидуальная установка может при этом осуществляться таким образом, что для каждой лопасти применяется идентичная, но сдвинутая от одной до следующей лопасти на 120° функция установки, если ветроэнергетическая установка имеет, например, три роторные лопасти. При этом важно, чтобы каждая лопасть имела свой собственный механизм регулировки роторной лопасти.

Согласно одному из вариантов выполнения, предложено, что угол установки лопасти относительно цикла вращения регулируется таким образом, что угол набегающего потока поддерживается по возможности постоянным. Это предлагается соответственно индивидуально для каждой роторной лопасти. Углом набегающего потока при этом является угол, под которым кажущийся ветер набегает на роторную лопасть на законцовке лопасти. Вместо законцовки лопасти, или дополнительно к ней, также область в наружной трети лопасти может быть принята в качестве основы, в частности, на 70%, 75%, 80% или в диапазоне от 70% до 80% от длины роторной лопасти, измеренной от оси ротора. Кажущийся ветер при этом является векторной суммой истинного ветра и встречного ветра движения, который обусловлен вращением ротора и, таким образом, движением законцовки лопасти. Этот кажущийся ветер изменяется, как описано выше, с высотой, как по своей амплитуде, так и по своему углу. Предлагается лопасть вращать таким образом, что она в области своей законцовки лопасти соответственно согласуется с направлением кажущегося ветра. Лопасть ротора, таким образом, в 12-часовом положении, когда роторная лопасть ориентирована вертикально вверх, несколько сильнее вращается по ветру, чем когда она находится в 6-часовом положении, то есть находится совсем внизу. Промежуточные значения получаются соответствующим образом. Отсюда получается не только аэродинамически желательное согласование или частичное согласование с направлением кажущегося ветра, но и более сильное проворачивание по ветру при нахождении роторной лопасти в 12-часовом положении, то есть, вообще говоря, в верхней области, имея предпосылкой также лучшее восприятие нагрузки роторной лопасти.

Другой вариант осуществления изобретения предполагает, что угол установки каждой роторной лопасти регулируется в зависимости от ее соответствующего положения вращения на соответственно предопределенные значения, причем, в частности, предопределенные значения заранее записаны в таблицу и/или задаются посредством зависимой от положения вращения функции. Таким образом, предлагается управление углом установки каждой роторной лопасти отдельно в зависимости от конкретного положения вращения этой роторной лопасти. Положение ротора и, таким образом, по меньшей мере после простого пересчета, положение каждой роторной лопасти при работе ветроэнергетической установки часто известно или может быть определено простым способом. Исходя из этого, каждый угол установки роторной лопасти регулируется в соответствии с предопределенными значениями, без необходимости какого-либо измерения. Предопределенные значения могут быть сохранены в таблице, которая была предварительно записана или вычислена или создана путем моделирования. Такая таблица может также принимать во внимание другие параметры, такие как, например, скорость ветра или зависимый от направления ветра, относящийся к местоположению профиль по высоте.

Другой или дополнительный вариант предусматривает то, что это регулирование положения лопасти относительно цикла вращения задается на основе функции. Например, углы α₁, α₂ и α₃ роторных лопастей для примера ветроэнергетической установки с тремя роторными лопастями могут задаваться посредством следующих функций:

α₁=α_N+cos(β).α_A

α₂=α_N+cos(β+120°).α_A

α₃=α_N+cos(β+240°).α_A

При этом α_N описывает вычисленный или заданный угол установки лопасти, который рассчитывается, как обычно в уровне техники, а именно, без учета профиля ветра по высоте. Угол β описывает положение вращения роторной лопасти, причем β=0° соответствует 12-часовому положению соответствующей роторной лопасти. α_A является углом регулировки лопасти.

Предпочтительно, угол установки лопасти регулируется индивидуально и в зависимости от преобладающей скорости ветра, в частности, так, что он регулируется в зависимости от преобладающей скорости ветра и положения вращения соответствующей роторной лопасти. Учет обоих факторов влияния может быть выполнен, например, с помощью двумерной таблицы, содержащей соответствующие углы лопастей, которые записаны в зависимости от положения вращения и преобладающего ветра. Другая возможность состоит в том, что расчет производится в соответствии с приведенными выше уравнениями, причем угол α_A регулировки зависит от преобладающей скорости ветра и устанавливается в зависимости от нее или, например, через соответствующую функцию или через заранее установленные табличные значения, что указано только как два примера.

Поэтому предпочтительно, как уже было указано выше, при работе задается общий нормальный угол установки роторной лопасти для всех роторных лопастей, и каждая отдельная роторная лопасть варьируется в зависимости от своего положения вращения относительно этого нормального угла установки роторной лопасти, в частности, в пределах заданного интервала углов установки лопасти. Одна из возможностей выполнения этого состоит в использовании вышеприведенных уравнений, в соответствии с которыми угол установки роторной лопасти изменяется на угол ±α_A регулировки. Соответственно, в этом примере происходит изменение в интервале [α_N-α_A; α_N+α_A].

В соответствии с еще одной формой выполнения предложено, что ветроэнергетическая установка работает в профильной рабочей точке, отклоняющейся от нормальной рабочей точки. Нормальная рабочая точка здесь, особенно в диапазоне частичной нагрузки, является точкой, которая имеет нормальный угол установки лопасти, рассчитанный для преобладающего ветра, но без учета профиля ветра, а также имеет нормальную ориентацию азимутального положения, при котором ветроэнергетическая установка вращается точно по ветру. Профильная рабочая точка предусматривает профильное азимутальное положение, отклоняющееся от нормальной ориентации на угол регулировки азимута. Она также предусматривает профильный угол установки лопасти, отклоняющийся от нормального угла установки лопасти на угол регулировки азимута. Таким образом, предлагается регулировку азимутального положения и угла установки лопасти объединить, таким образом, выполнить одновременно, чтобы уменьшить нагрузку.

Предпочтительно, выбирается первый профильный режим, в котором угол регулировки лопасти направлен противоположно углу регулировки азимута по отношению к 12-часовому положению соответствующей роторной лопасти. В 12-часовом положении роторная лопасть, таким образом, по сравнению с нормальным режимом эксплуатации лишь незначительно перемещена, так как оба угла здесь по меньшей мере частично компенсируются. Следует отметить, что регулировка азимутального угла и угла установки роторной лопасти может приводить к различным эффектам, так что, несмотря на частичную компенсацию, может достигаться синергизм, действующий положительно на нагрузку.

Согласно другому варианту выполнения, предложен второй профильный режим, при котором угол регулировки лопасти и угол регулировки азимута регулируют роторную лопасть по отношению к 12-часовому положению соответствующей роторной лопасти в том же направлении. В соответствии с этим комбинация обоих углов увеличивает эффективно перемещенный в 12-часовое положение угол установки лопасти. Также эта положительная суперпозиция обоих угловых регулировок может привести к синергизму, снижающему нагрузку.

Предпочтительным образом, между углом регулировки азимута и углом регулировки лопасти может выполняться взвешивание, так что величина угла регулировки азимута на весовой коэффициент азимута больше, чем величина угла регулировки лопасти, или величина угла регулировки лопасти на весовой коэффициент лопасти больше, чем величина угла регулировки азимута, причем весовой коэффициент азимута и весовой коэффициент лопасти, соответственно, больше, чем 1,2, предпочтительно больше, чем 1,5, и, в частности, больше, чем 2. Таким образом, следует учитывать, что, по отношению к 12-часовому положению, оба угла регулировки, то есть угол регулировки азимута и угол регулировки лопасти имеют различные значения. Это, в частности, позволяет избегать того, что по отношению к 12-часовому положению эффективно не устанавливается никакой регулировки лопасти.

Таким образом, предлагается способ, посредством которого решаются или снижаются проблемы, вызванные профилем ветра по высоте тем, что азимутальное положение ветроэнергетической установки регулируется и дополнительно или опционально относительно цикла вращения роторная лопасть регулируется по своему углу установки. Профиль ветра по высоте может привести к изменению угла набегающего потока на роторной лопасти, в зависимости от положения роторной лопасти. Разностный угол приводит к различным коэффициентам подъемной силы.

Конкретный профиль ветра по высоте может быть также зависимым от местоположения, направления и времени года, и предлагаемые меры регулировки могут зависеть от конкретного профиля высоты. Предпочтительно предлагается, установку азимута и/или установку лопасти осуществлять в зависимости от этого профиля высоты. В частности, предлагается, выбирать угол регулировки азимута в зависимости от профиля высоты, и кроме того или альтернативно, выбирать угол регулировки лопасти в зависимости от профиля высоты.

Для изменения угла установки лопасти каждой роторной лопасти относительно цикла вращения, в частности, предлагается, что оно осуществляется в зависимости от непрерывной кривой, причем эта кривая или характеристика, по существу, непрерывно для каждого положения одного оборота соответствующей роторной лопасти определяет угол установки роторной лопасти.

Сохранение соответствующих значений в таблице и/или учет осуществляется в функциональной взаимосвязи, предпочтительно также в зависимости от местоположения, времени года, направления и высоты и/или в зависимости от преобладающих турбулентностей.

Такие предварительно зарегистрированные значения, независимо от того, находятся ли они в таблице, в функциональной зависимости или другим способом, могут также дополнительно или альтернативно корректироваться на месте, например, посредством измерений, в частности, здесь предлагается адаптивная коррекция.

Далее изобретение описывается более подробно на примерах выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

Фиг. 1 - ветроэнергетическая установка схематично в пространственном представлении.

Фиг. 2 - примерный профиль ветра по высоте по отношению к схематично представленной ветроэнергетической установке.

Фиг. 3 - на диаграмме в качестве примера зависимый от угла вращения угол атаки или угол набегающего потока, включая компенсацию роторной лопасти.

Фиг. 4 - в качестве примера зависимый от угла вращения локальный угол атаки или угол набегающего потока на диаграмме для разных азимутальных установок.

На фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 размещен ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и обтекатель 110. Ротор 106 при работе приводится ветром во вращательное движение и тем самым приводит в действие генератор в гондоле 104.

В основе фиг. 2-4 лежат упрощенно вычисленные или смоделированные значения.

В основе фиг. 2 лежит иллюстративная ветроэнергетическая установка 1 с высотой ступицы примерно 85 м. Ветроэнергетическая установка имеет гондолу 4 с ротором 6 с роторными лопастями 8. При этом ветроэнергетическая установка 1 с ее башней 2 стоит на основании, высота которого установлена в 0 м и, таким образом, формирует опорное значение для высоты.

Роторные лопасти 8 перекрывают, таким образом, поле ротора, которое ограничено окружностью, ометаемую ротором, от самого низкого уровня высоты 12, составляющим 44 м до самого высокого уровня высоты 14, составляющим 126 м.

Кроме того, показан профиль ветра 16 по высоте, который показывает скорость V2 ветра в зависимости от высоты z2. При этом скорость V2 ветра в [м/с] указывается на оси абсцисс, а высота z2 в единицах [м] указывается на оси ординат. Профиль 18 высоты, который расположен внутри окружности, ометаемой ротором, то есть между самым низким уровнем высоты 12 и самым высоким уровнем высоты 14 показан жирной линией на фиг. 2.

Скорость ветра, таким образом, находится в диапазоне от самого низкого уровня высоты 12 до самого высокого уровня высоты 14, причем она на самом низком уровне высоты 12 принимает значение несколько больше, чем 7 м/с. На самом высоком уровне высоты 14 скорость ветра достигает значения около 11,6 м/с. Таким образом, здесь получается коэффициент высоты около 1,6.

Диаграмма на фиг. 2 показывает профиль ветра по высоте с экспонентой высоты a=0,5.

Для показанного на фиг. 2 примера профиля ветра по высоте и ветроэнергетической установки 1 фиг. 3 показывает в зависимости от угла вращения соответствующей роторной лопасти локальный угол атаки, а именно, фактический угол атаки для, соответственно, существующего там либо принятого расчетным путем кажущегося ветра. На оси абсцисс диаграммы указан угол вращения роторной лопасти в градусах, где 0° или 360° соответствует 12-часовому положению роторной лопасти. Локальный угол 20, который указывает угол набегающего потока для каждого существующего или принятого расчетным путем кажущегося ветра, изменяется от 9,4° при 12-часовом положении до 5,7° при 6-часовом положении, которое соответствует углу вращения на 180°. Углы локального угла атаки в качестве примера обозначены на диаграмме на левой оси ординат.

Теперь предлагается, угол установки роторной лопасти в зависимости от угла вращения роторной лопасти скорректировать так, что локальный угол атаки принимает по возможности постоянное значение, что также по возможности на полном обороте, то есть для всего спектра от 0° до 360° углов вращения роторной лопасти угол набегающего потока является постоянным. С этой целью в соответствии с одним выполнением предлагается включить угол 22 компенсации отдельной лопасти, который также может упоминаться как угол регулировки лопасти. Угол 22 компенсации лопасти варьируется по углу вращения роторной лопасти приблизительно от -1,8 до +1,8°, и его значения нанесены на диаграмме соответственно профилю по фиг. 3 на правой оси ординат. Следует отметить, что масштабирование угла компенсации лопасти согласно правой оси ординат отличается на коэффициент 2 от масштабирования локального угла атаки в соответствии с левой осью ординат. За счет включения этого угла 22 компенсации лопасти локальный угол атаки может идеально компенсироваться так, что он может принимать среднее значение в качестве постоянного значения, причем конкретное значение, конечно, зависит от конкретных краевых условий, в частности, конкретной ветроэнергетической установки. Скомпенсированный локальный угол 24 атаки соответственно нанесен на диаграмме на фиг. 3 по горизонтали. Результат точного, постоянного, скомпенсированного локального угла атаки может быть определен математически и в реальности может варьироваться.

Изменение угла набегающего потока на роторной лопасти из-за профиля ветра по высоте может упоминаться как флуктуация локального угла атаки на роторной лопасти и должно уменьшаться или предпочтительно полностью устраняться. При стационарных роторных лопастях на ступице ротора ветроэнергетической установки, таким образом, в процессе эксплуатации возникает флуктуация локального угла атаки, которая показана посредством характеристики 20 локального угла атаки. Если каждая отдельная роторная лопасть соответствующим образом изменяется по своему углу установки роторной лопасти, что обычно обозначается как установка под углом (с наклоном), как показывает кривая 22 угла компенсации лопасти, то можно компенсировать флуктуацию угла атаки. Тем самым для этого радиуса ротора получают совершенно равномерный идеальный угол атаки в каждом положении вращающейся лопасти, что представляет кривая 24, которая показывает скомпенсированный угол атаки. Тем самым могут снижаться нагрузки, а также звук. За счет такого выравнивания угла атаки и, тем самым, обтекания роторной лопасти, лопасть может сильнее проворачиваться по ветру или иметь наклон, что способствует повышению производительности.

Диаграмма на фиг. 3 показывает пример для ветроэнергетической установки с компенсацией флуктуации угла атаки при средней скорости ветра на высоте ступицы 4 примерно 10 м/с и скорости законцовки лопасти v_Tip=78 м/с. Локальный угол 20 атаки относится при этом к радиусу 35,5 м.

Фиг. 4 иллюстрирует опциональную или дополнительную возможность достижения выравнивания локального угла атаки или соответственно угла набегающего потока кажущегося ветра. Фиг. 4 показывает локальный угол 20 атаки для азимутального положения, при котором гондола 4 направлена (согласно фиг. 2) точно по ветру. Эта кривая также обозначается буквой а и соответствует локальному углу 20 атаки на фиг. 3. И здесь в основу положены ветроэнергетическая установка 1 и профиль ветра по высоте согласно фиг. 3. Как на фиг. 3, так и в данном случае локальный угол 20 атаки определен по углу вращения роторной лопасти, который обозначен на оси абсцисс значениями от 0 до 360°.

Справа от диаграммы приведены условные обозначения для азимутальных отклонений ветроэнергетической установки, а именно от а до i, причем а описывает локальный угол 20 отклонения для азимутального положения, которое указывает точно по ветру и, таким образом, по отношению к нему сдвинуто на 0°. Представлены другие профили локального угла атаки для отклонений азимутального положения от кривой b до кривой i. При этом оказалось, что кривая е имеет самое низкое отклонение или флуктуацию, а именно, в 12-часовом положении до примерно 10-часового положения и или 2-часового положения. Кривая е относится в этом примере к регулировке азимутального положения. Так посредством простой регулировки азимутального угла, в частности, постоянной, можно достичь значительного выравнивания локального угла атаки и, тем самым, значительного выравнивания нагрузки на роторной лопасти. Предпочтительным является, таким образом, предусмотреть постоянный угол смещения, то есть постоянной угол коррекции или регулировки для азимутального положения.

Таким образом, гондола и, тем самым, ось ротора ветроэнергетической установки по часовой стрелке, если смотреть на установку сверху, поворачивается на азимутальный угол, а именно, в частности, на угол регулировки азимута. Локальные углы атаки на роторной лопасти выравниваются по их значению по отношению к ориентации гондолы с осью ротора в направлении ветра. Флуктуация локального угла атаки заметно уменьшается, когда между осью ротора и направлением ветра устанавливается смещение по азимутальному углу.

Также посредством этой меры уменьшаются нагрузки и шум. Если вследствие этого угол атаки и обтекание роторной лопасти, как описано, выравниваются, лопасть может сильнее вращаться по ветру, что способствует повышению производительности.

Изобретение относится к ветроэнергетической установке и способу эксплуатации ветроэнергетической установки. Способ эксплуатации ветроэнергетической установки (1) с ротором (6) с роторными лопастями (8) с по существу горизонтальной осью вращения для генерирования электрической энергии из энергии ветра, ветроэнергетическую установку (1) ориентируют так, что азимутальное положение ветроэнергетической установки (1) отклоняется от ориентации по ветру (16) на угол регулировки азимута, и/или угол установки роторных лопастей (8) относительно цикла вращения регулируют так, что переменные нагрузки, вызванные профилем ветра (16) по высоте, уменьшаются. Ветроэнергетическая установка (1) работает в профильной рабочей точке, отклоняющейся от нормальной рабочей точки, при этом нормальная рабочая точка, в частности в диапазоне частичной нагрузки, имеет нормальный угол установки лопасти, рассчитанный для преобладающего ветра (16), но без учета профиля ветра, и предусматривает нормальную ориентацию азимутального положения по ветру (16), профильная рабочая точка предусматривает профильное азимутальное положение, отклоняющееся от нормальной ориентации на угол регулировки азимута, и имеет профильный угол установки лопасти, отклоняющийся от нормального угла установки лопасти на угол регулировки лопасти, между углом регулировки азимута и углом регулировки лопасти выполняют взвешивание, так что величина угла регулировки азимута на весовой коэффициент азимута больше, чем величина угла регулировки лопасти, или величина угла регулировки лопасти на весовой коэффициент лопасти больше, чем величина угла регулировки азимута, причем весовой коэффициент азимута и весовой коэффициент лопасти, соответственно, больше чем 1,2, предпочтительно больше чем 1,5 и, в частности, больше чем 2. Изобретение направлено на снижение нагрузок по высоте, снижение звуковых эмиссий, увеличение производительности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ эксплуатации ветроэнергетической установки (1) с ротором (6) с роторными лопастями (8) с по существу горизонтальной осью вращения для генерирования электрической энергии из энергии ветра, причем

- ветроэнергетическую установку (1) ориентируют так, что азимутальное положение ветроэнергетической установки (1) отклоняется от ориентации по ветру (16) на угол регулировки азимута, и/или

- угол установки роторных лопастей (8) относительно цикла вращения регулируют так, что переменные нагрузки, вызванные профилем ветра (16) по высоте, уменьшаются,

отличающийся тем, что ветроэнергетическая установка (1) работает в профильной рабочей точке, отклоняющейся от нормальной рабочей точки, при этом

- нормальная рабочая точка, в частности в диапазоне частичной нагрузки, имеет нормальный угол установки лопасти, рассчитанный для преобладающего ветра (16), но без учета профиля ветра, и предусматривает нормальную ориентацию азимутального положения по ветру (16), и

- профильная рабочая точка предусматривает профильное азимутальное положение, отклоняющееся от нормальной ориентации на угол регулировки азимута, и имеет профильный угол установки лопасти, отклоняющийся от нормального угла установки лопасти на угол регулировки лопасти,

- между углом регулировки азимута и углом регулировки лопасти выполняют взвешивание, так что величина угла регулировки азимута на весовой коэффициент азимута больше, чем величина угла регулировки лопасти, или величина угла регулировки лопасти на весовой коэффициент лопасти больше, чем величина угла регулировки азимута, причем весовой коэффициент азимута и весовой коэффициент лопасти, соответственно, больше чем 1,2, предпочтительно больше чем 1,5 и, в частности, больше чем 2.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ветроэнергетическая установка (1) при рассмотрении от ветроэнергетической установки (1) в направлении ветра (16) отклоняется вправо от ориентации по ветру (16) или соответственно в своем азимутальном положении при рассмотрении сверху на ветроэнергетическую установку (1) отклоняется по часовой стрелке к ориентации по ветру (16).

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что угол регулировки азимута составляет от 0,5 до 10°, предпочтительно от 1 до 3,5°, в частности от 1,5 до 2,5°, и/или что угол регулировки азимута предусмотрен как постоянный угол смещения для регулировки ветроэнергетической установки всегда на этот угол регулировки азимута относительно ориентации по ветру (16).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угол регулировки азимута выбирают в зависимости от преобладающей скорости (V2) ветра.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждый из углов установки лопастей относительно цикла вращения регулируют так, что в области законцовки лопасти угол набегающего потока поддерживается по возможности постоянным.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угол установки каждой роторной лопасти регулируют в зависимости от ее соответствующего положения вращения на предопределенные значения, причем, в частности, предопределенные значения предварительно записаны в таблицу и/или задаются с помощью функции, зависимой от положения вращения.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что углом установки каждой роторной лопасти управляют по отдельности и в зависимости от преобладающей скорости (V2) ветра, в частности, им управляют в зависимости от преобладающей скорости (V2) ветра и положения соответствующей роторной лопасти.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе эксплуатации задают общий нормальный угол установки роторной лопасти для всех роторных лопастей (8) и каждую роторную лопасть в зависимости от ее положения вращения варьируют относительно этого нормального угла установки роторной лопасти, в частности, в пределах заданного интервала углов установки лопасти.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что

- выбирают первый профильный режим, при котором угол регулировки лопасти направлен противоположно углу регулировки азимута по отношению к 12-часовому положению соответствующей роторной лопасти, или что

- выбирают второй профильный режим, при котором угол регулировки лопасти и угол регулировки азимута регулируют роторную лопасть по отношению к 12-часовому положению соответствующей роторной лопасти в том же направлении.

10. Ветроэнергетическая установка (1) с ротором (6) с роторными лопастями (8) с по существу горизонтальной осью вращения для генерирования электрической энергии из энергии ветра, причем ветроэнергетическая установка (1) выполнена с возможностью эксплуатации согласно способу по любому из предшествующих пунктов.