專利名稱：風(fēng)力渦輪機扭矩-速度控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及風(fēng)力渦輪機，并且更特別地涉及一種用于風(fēng)力渦輪機的扭矩-速度控制的方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機作為環(huán)境安全并且相對廉價的備選能源受到的關(guān)注增加。隨著該關(guān)注的增長，已做出了相當大的努力來開發(fā)可靠并且高效的風(fēng)力渦輪機。通常，風(fēng)力渦輪機包括具有多個葉片的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子安裝到外殼或機艙，所述外殼或機艙定位在桁架或管狀塔架的頂部上。被設(shè)計成將電力提供給公用電網(wǎng)的實用級風(fēng)力渦輪 機可以具有大轉(zhuǎn)子(例如，長度為30米或以上)。另外，風(fēng)力渦輪機典型地安裝在高度為至少60米的塔架上。這些轉(zhuǎn)子上的葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動一個或多個發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)扭矩或 力，所述發(fā)電機可以通過齒輪箱旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子。齒輪箱提升發(fā)電機的渦輪機轉(zhuǎn)子的固有低轉(zhuǎn)速以將機械能高效地轉(zhuǎn)換為電能，所述電能被饋送到公用電網(wǎng)。風(fēng)力渦輪機葉片在尺寸上不斷地增加以便增加能量捕獲。然而，當葉片在尺寸上增加時，控制最佳能量捕獲也變得越來越困難。葉片負荷取決于風(fēng)速、尖端速度比(TSR)和/或葉片的槳距設(shè)置。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解，TSR是葉片尖端的轉(zhuǎn)速與實際風(fēng)速的比率。通常，重要的是，優(yōu)化風(fēng)力渦輪機的操作(包括葉片能量捕獲)以減小所產(chǎn)生的能量的成本。葉片的槳距設(shè)置(即，翼型狀葉片的迎角)提供在風(fēng)力渦輪機控制中使用的參數(shù)中的一個。典型地，控制器被配置成通過以提供來自風(fēng)的增加或減小的能量轉(zhuǎn)移(因此預(yù)期調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子速度)的方式調(diào)節(jié)葉片槳距來調(diào)節(jié)轂的轉(zhuǎn)速(即，轉(zhuǎn)速)，其中葉片圍繞轂旋轉(zhuǎn)?？梢詮娘L(fēng)提取的能量的大小基于許多因素，包括旋轉(zhuǎn)葉片所覆蓋的掃掠面積。這當然直接取決于葉片的長度，使得對于單獨的渦輪機，提取能量的增加至少部分地取決于提供更長的葉片。然而，不斷增加渦輪機尺寸產(chǎn)生的一個問題是需要增加齒輪箱的扭矩處理能力。然而有利的是保持發(fā)電機扭矩低，使得也可以保持齒輪箱額定扭矩低并因此可以保持尺寸和成本低。所以，需要一種用于操作風(fēng)力渦輪機的方法，以允許在高功率系數(shù)(Cp)操作區(qū)域中操作更長時間，從而允許控制發(fā)電機扭矩極限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點將部分地在以下描述中進行闡述，或者可以從該描述變得明顯，或者可以通過本發(fā)明的實施而獲悉。本發(fā)明涉及一種用于操作風(fēng)力渦輪機的方法，該方法包括提供具有葉片的風(fēng)力渦輪機，其中葉片具有可調(diào)節(jié)的槳距角，以及監(jiān)測葉片的尖端速度比(TSR)。該方法也識別葉片的高功率系數(shù)(Cp)操作區(qū)域，并且與TSR的增加同時地增加葉片的槳距角以將渦輪機的操作保持在被識別的Cp區(qū)域內(nèi)。在所選擇的方法中，可以通過監(jiān)測葉片的尖端的速度、風(fēng)速或葉片的轉(zhuǎn)速中的一個來監(jiān)測TSR。本發(fā)明也涉及一種用于限制與風(fēng)力渦輪機關(guān)聯(lián)的齒輪箱中的扭矩的方法。在這些方法中，提供具有葉片的風(fēng)力渦輪機，其中葉片具有可調(diào)節(jié)的槳距角。將齒輪箱聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機并且監(jiān)測葉片的尖端速度比(TSR)。根據(jù)這樣的方法，識別葉片的高功率系數(shù)(Cp)操作區(qū)域，并且與TSR的增加同時地增加葉片的槳距角以將渦輪機的操作保持在被識別的Cp區(qū)域內(nèi)。在所選擇的這樣的方法中，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測葉片的尖端的速度、風(fēng)速或葉片的轉(zhuǎn)速中的一個。在其它實施例中，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測齒輪箱的旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明也涉及一種用于控制風(fēng)力渦輪機的操作的系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，提供具有葉片的風(fēng)力渦輪機，同時提供被配置成監(jiān)測葉片的尖端速度比(TSR)的傳感器，其中葉片具有可調(diào)節(jié)的槳距角。與風(fēng)力渦輪機關(guān)聯(lián)的控制器被配置成導(dǎo)致葉片的槳距角與TSR的 增加同時地增加以將渦輪機的操作保持在葉片的高功率系數(shù)(Cp)操作區(qū)域內(nèi)。在本發(fā)明的這些實施例中，可以通過監(jiān)測葉片的尖端的速度、風(fēng)速或葉片的轉(zhuǎn)速中的任何一個來監(jiān)測TSR。在所選擇的另外的實施例中，該系統(tǒng)也可以包括聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機的齒輪箱。在這樣的實施例中，可以通過監(jiān)測齒輪箱部件的轉(zhuǎn)速來監(jiān)測TSR。參考以下描述和附帶的權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解。包含在該說明書中并且構(gòu)成該說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，并且與該描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。


參考附圖，在說明書中闡述了本發(fā)明的針對本領(lǐng)域技術(shù)人員的完整和可實現(xiàn)的公開(包括其最佳模式)，在附圖中圖I提供了風(fēng)力渦輪機的典型操作功率曲線的圖示；圖2示出了扭矩-速度曲線，示出了低扭矩要求和高扭矩要求之間的不同操作曲線.
-^4 ，圖3是由以速度限幅操作的渦輪機產(chǎn)生的功率系數(shù)(Cp)圖譜；圖4是由以扭矩限幅操作的渦輪機產(chǎn)生的功率系數(shù)(Cp)圖譜；以及圖5是由根據(jù)本發(fā)明操作的渦輪機產(chǎn)生的功率系數(shù)(Cp)圖譜，其中當尖端速度增加時控制槳距以將保持操作在高Cp區(qū)域。圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性風(fēng)力渦輪機600的透視圖。附圖標記的貫穿本說明書和附圖的重復(fù)使用旨在表示本發(fā)明的相同或相似特征或元件。附圖標記列表
權(quán)利要求
1.一種用于操作風(fēng)力渦輪機的方法，包括 提供具有至少一個葉片的風(fēng)力渦輪機，所述至少一個葉片具有可調(diào)節(jié)的槳距角； 監(jiān)測所述至少一個葉片的尖端速度比(TSR)； 識別所述至少一個葉片的高功率系數(shù)(Cp)操作區(qū)域(502);以及增加TSR的同時增加所述至少一個葉片的槳距角(3-4-5)以將渦輪機的操作保持在被識別的Cp區(qū)域內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測所述至少一個葉片的尖端的速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測風(fēng)速。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測所述至少一個葉片的轉(zhuǎn)速。
5.一種用于限制與風(fēng)力渦輪機關(guān)聯(lián)的齒輪箱中的扭矩的方法，包括 提供具有至少一個葉片的風(fēng)力渦輪機，所述至少一個葉片具有可調(diào)節(jié)的槳距角； 將齒輪箱聯(lián)接到所述風(fēng)力渦輪機； 監(jiān)測所述至少一個葉片的尖端速度比(TSR)； 識別所述至少一個葉片的高功率系數(shù)(Cp)操作區(qū)域(502);以及增加TSR的同時增加所述至少一個葉片的槳距角(3-4-5)以將渦輪機的操作保持在被識別的Cp區(qū)域內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測所述至少一個葉片的尖端的速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測風(fēng)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測所述至少一個葉片的轉(zhuǎn)速。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，監(jiān)測TSR包括監(jiān)測所述齒輪箱的旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速。
10.一種用于控制風(fēng)力渦輪機的操作的系統(tǒng)，包括 具有至少一個葉片的風(fēng)力渦輪機，所述至少一個葉片具有可調(diào)節(jié)的槳距角； 傳感器，所述傳感器被配置成監(jiān)測所述至少一個葉片的尖端速度比(TSR);以及控制器，所述控制器被配置成增加所述至少一個葉片的槳距角的同時增加TSR (3-4-5)地以將渦輪機的操作保持在所述至少一個葉片的高功率系數(shù)(Cp)操作區(qū)域(502)內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器通過監(jiān)測所述至少一個葉片的尖端的速度來監(jiān)測TSR。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器通過監(jiān)測風(fēng)速來監(jiān)測TSR。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器通過監(jiān)測所述至少一個葉片的轉(zhuǎn)速來監(jiān)測TSR。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括 聯(lián)接到所述風(fēng)力渦輪機的齒輪箱， 其中所述傳感器通過監(jiān)測齒輪箱部件的轉(zhuǎn)速來監(jiān)測TSR。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于操作風(fēng)力渦輪機的方法和系統(tǒng)，在一些實施例中該風(fēng)力渦輪機可以包括齒輪箱。該風(fēng)力渦輪機設(shè)有葉片，葉片具有可調(diào)節(jié)的槳距角，并且監(jiān)測葉片的尖端速度比(TSR)。在操作中，該方法和系統(tǒng)被配置成與TSR的增加同時地增加葉片的槳距角以將渦輪機的操作保持在葉片的被識別的高功率系數(shù)(Cp)操作區(qū)域內(nèi)?？梢酝ㄟ^監(jiān)測葉片的尖端的速度、風(fēng)速、葉片的轉(zhuǎn)速或齒輪箱內(nèi)的部件的轉(zhuǎn)速中的一個來監(jiān)測TSR。
文檔編號F03D7/02GK102900611SQ201210158289
公開日2013年1月30日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者D·李, S·赫爾, K·U·克格勒 申請人:通用電氣公司