技术领域
[0001] 本文所公开的主题涉及一种用于调节
风能系统的机舱的偏航的设备和方法。本
发明具体而言涉及一种风能系统的机舱的液压偏航调节系统,典型地是一种紧急液压偏航调节系统。本发明还涉及一种液压系统且涉及一种非电气控制系统。
背景技术
[0002] 在实现发电的经济和生态目标方面,风能系统越来越变成了重要的因素。在风能系统中,由
风力涡轮产生电力,风力涡轮由风力驱动且经由轴系统和
齿轮箱将其力传输到发
电机。
[0003] 如果由风力涡轮的
转子叶片限定的平面并不垂直于风,该涡轮可能仍然可操作,但
转子叶片经历剪切力,这导致在转子叶片上的较大负荷且因此通过磨损而导致昂贵的维护。典型地,与转子连接的机舱因此被转动以直接面向风。这样一来,诸如
电子计算机的
控制器接收风向和风速的测量数据且控制
马达来调节机舱的偏航
角。
[0004] 但是,在
电网故障的情况下,或在电气或电子构件内部故障的情况下,机舱的偏航角可能不再能够进行调节。
[0005] 因此,将需要一种改进的偏航调节系统,特别地一种改进的紧急偏航控制系统。
发明内容
[0006] 鉴于上文所述,根据一方面,提供了一种液压系统,其用于提供
流体压力来促动至少一个液压偏航马达,以便独立于电力调节风能系统的机舱的偏航。其中,该液压系统包括可连接到风能系统的主传动系的连接部。主传动系传输由风能生成的
动能。液压系统适于由主传动系的动能经由连接部来驱动。
[0007] 在另一方面,提供了一种液压偏航调节系统,其用于独立于电力来调节风能系统的机舱的偏航。该液压偏航调节系统包括:至少一个液压偏航马达,其用于调节机舱的偏航;以及,液压系统,其提供流体压力来促动该至少一个液压偏航马达。其中,液压系统可连接到风能系统的主传动系且适于由主传动系的动能驱动。
[0008] 根据另一方面,提供了一种风能系统。该风能系统包括:用于以动能的形式传输风动力的主传动系;以及用于独立于电力来调节风能系统的机舱的偏航的液压偏航调节系统。该液压偏航调节系统包括:至少一个液压偏航马达,其用于调节机舱的偏航;以及,液压系统,其提供流体压力来促动该至少一个液压偏航马达。其中,液压系统连接到主传动系且由主传动系的动能驱动。
[0009] 根据又一方面,提供了一种非电气控制系统,其用于控制至少一个液压偏航马达的操作,以独立于电力来调节风能系统的机舱的偏航。该非电气控制系统包括用于控制液压流体的通量的三位
阀。该三位阀包括:第一
位置,其允许通量的正通量方向;第二位置,其允许通量的负通量方向;以及,停止位置,其用于停止通量。该非电气控制系统还包括促动器,其用于促动该三位阀。其中,促动器适于借助于作用于促动器上的风力来选择第一位置、第二位置和第三位置中的一个位置。
[0010] 根据另一方面,提供了一种独立于电力来调节风能系统的机舱的偏航的方法。该方法包括:从风能生成主传动系的动能,以及,从主传动系的动能生成流体压力以便促动至少一个液压偏航马达来调节该机舱的偏航。
[0011] 该系统和方法解决了使得风能系统更故障安全的技术问题,特别是在电网故障的情况下,或在电气或电子构件的内部故障的情况下。具体而言,解决了甚至在诸如电力故障的紧急情况下如何允许机舱的偏航调节的问题。
[0012]
实施例还涉及用于制造和操作所公开的液压系统、液压偏航调节系统、风能系统和非电气控制系统的方法。这些方法步骤可手动地或自动地(例如由用适当
软件编程的计算机控制)执行,由二者的任何组合或以任何其它方式来执行。
[0013] 通过从属
权利要求、
说明书和
附图,本发明的另外的方面、优点和特征显而易见。
附图说明
[0014] 在说明书的其余部分中(包括参考附图),更具体描述了对本领域普通技术人员而言全面并可实施的公开内容,包括最佳模式,在附图中:图1示出风能系统的示意透视打开视图,其中可使用本文所述的实施例;
图2和图3示出根据本文所述的实施例的液压系统的示意图;
图4示出根据本文所述的实施例的液压偏航调节系统的示意透视图;
图5示出根据本文所述的实施例的非电气控制系统的示意图;
图6示出根据本文所述的实施例的液压桨距调节系统的示意透视打开视图。
具体实施方式
[0015] 现将关于各个示范性实施例进行详细参考,其一个或多个实例在各个附图中示出。各个实例以解释说明的方式提供且并不意味着限制。举例而言,作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可用于其它实施例或者结合其它实施例使用以得到另外的更多实施例。预期本公开内容包括这样的
修改和变化。
[0016] 在下文对附图的描述中,相同的参考标号指代相同部件。通常仅描述关于单独的实施例的差别。附图所示的结构并未按照真实比例绘制而是仅用于更好地理解实施例。
[0017] 图1示出其中可使用本文所述的实施例的风能系统。风能系统100包括机舱110,示出了其示意透视打开视图。机舱110容纳
主轴114、齿轮箱116、发电机轴118和发电机120,发电机120具有用于冷却发电机的冷却系统122。主轴114包括用于将转子连接到其上的转子连接部112。转子典型地包括连接到毂150的叶片152、154、156。主轴114可为低速轴,而发电机轴118可为适于驱动发电机120的高速轴。高速轴的增加的速度可由齿轮箱116的
变速器来实现。
[0018] 风能系统的主传动系包括将转子所生成的力传输到发电机的机械部件。主传动系具有动能,其典型地为旋转能的形式。在图1所示的实施例中,主传动系包括主轴114、齿轮箱116和发电机轴118。在某些实施例中,主传动系也可包括发电机和/或毂。此外,本文所述的实施例可用于其它类型的风能系统,例如用于包括
直接驱动主传动系、无齿轮主传动系或混合主传动系而提供诸如一个或两个级的仅某些
齿轮传动水平的风能系统中。
[0019] 风能系统100可包括用于确定风向的
风向标132和用于确定风速的
风速计134,如图1所示。关于风速和风向的信息可传输到电子控制器130,例如,计算机。
[0020] 机舱典型地布置于风能系统的
塔架160上且安装于偏航
轴承140上。偏航轴承140可包括齿轮。偏航轴承140示意性地由图1中的齿轮描绘。使用关于风向和风速的信息的电子控制器130控制电气偏航马达142来调节机舱110的偏航。偏航马达可转动机舱使得机舱朝向风。电气偏航马达142可包括齿轮,其用于接合和转动偏航轴承140的齿轮。
[0021] 本文所述的实施例可普遍用于带有水平轴风力涡轮的任何种类的
能量系统中。这些能量系统典型地为迎风机械。能量系统可包括转子,其具有任意数量的转子叶片,诸如一个、两个、三个或更多叶片。能量系统可包括可变速度风力涡轮或备选地包括恒速风力涡轮。齿轮箱可包括机械或液压变速系统。
[0022] 根据一实施例提供了一种液压系统。图2和图3示意性地示出液压系统200。该液压系统200包括连接部210,其用于将液压系统200连接到风能系统的主传动系。典型地,连接部适于连接到主传动系或其构件中的任一个,例如连接到齿轮箱。在某些实施中,液压系统适于由主传动系的动能驱动。
[0023] 根据本文所述的实施例,液压系统通常为用于提供流体压力来促动风能系统的至少一个液压偏航马达(例如一个、二个、三个、四个、六个、八个或更多液压偏航马达)的系统。用于促动至少一个液压偏航马达的流体压力可例如在70巴至1400巴的范围中,典型地为100巴至500巴,诸如350巴和它们之间的所有子范围。当由流体压力来促动时,至少一个液压偏航马达调节风能系统的机舱的偏航。其中,机舱的偏航独立于电力或者独立于电力的可用性来进行调节。该液压系统可为紧急液压系统。在某些实施例中,液压系统在紧急情况下被启动。紧急情况可为例如电网丧失(loss)或(例如)诸如电子控制器的电气或电子构件的内部故障。液压系统典型地可在无电力的情况下操作。
[0024] 根据本文所述的实施例,液压系统可提供流体压力,甚至是在紧急情形下,例如在无电力可用的情形下。由动能,诸如主传动系的旋转能来提供流体压力。只要风驱动主传动系,这种动能就是可用的。同时,在偏航损失的情况下,相同的风在转子叶片上施加剪切力。偏航损失意味着机舱并不朝向风或者转子并不与风成直角。流体压力可用于操作至少一个液压偏航马达,其可调节偏航且避免剪切力。液压系统因此可起作用来减小转子叶片上的疲劳负荷(甚至是在紧急情况下)。
[0025] 根据某些实施例,连接部210包括
液压泵,其用于提供流体压力。
液压泵可为典型地连接到高速轴上的高体积/低压泵。备选地,液压泵可为例如静液压力系统中的高压/低体积泵。高压/低体积泵典型地连接到低速轴。液压泵或连接部可备选地连接到主传动系的任何部分,例如齿轮箱中的中间齿轮轴或发电机。该液压泵可适于由主传动系驱动,更特定而言由主传动系的动能驱动。液压泵可在无电力的情况下工作。在某些实施例中,液压系统200或连接部210可经由液压泵而连接到主传动系。液压系统可包括液压流体储集器,例如
油槽,以提供液压流体。
[0026] 在其它实施例中,连接部210包括分接连接器,其连接到主传动系的液压系统。特别地,主传动系的液压系统可为液压变速器。在主传动系包括液压系统的情况下,液压系统的液压泵可不存在。但是,在某些实施例中,连接部210可包括分接连接器(tapping connector)和液压泵两者。
[0027] 液压系统200还可包括用于传输流体压力的液压管系统212,如图2和图3所示。液压管系统可包括一个或多个管。举例而言,液压管系统212可包括第一管,其用于在压力下从连接部210(例如从液压泵)传输液压流体。在某些实施例中,液压流体由液压泵从液压流体储集器抽汲。液压管系统还可包括第二管,其用于传输液压流体到连接部210或返回到液压流体储集器。一般而言,液压系统可为开环液压回路或闭环液压回路。开环液压回路在其构造方面较为容易,而闭环液压回路更有效,因为可能仅需要补充来自闭合液压环路的
泄漏。液压管系统可适于连接到液压偏航马达或非电气控制系统。
[0028] 在某些实施例中,液压系统200包括非电气控制系统220,如图3所示。非电气控制系统220可(例如)包括机械和/或液压部件。非电气控制系统在图3中示意性地示出为盒。非电气控制系统的特定实施例在下文中关于图4描述。非电气控制系统可控制风能系统的至少一个液压偏航马达的操作。特别地,非电气控制系统可通过控制液压流体的通量来控制至少一个液压偏航马达的操作方向。在图3中,根据某些实施例,液压管系统212连接到非电气控制系统220,且液压系统包括用于传输流体压力的第二液压管系统214。第二液压管系统214可适于连接到至少一个液压偏航马达。
[0029] 根据另外的实施例提供了一种非电气控制系统。该非电气控制系统可适于控制风能系统的至少一个液压偏航马达的操作,以独立于电力来调节风能系统的机舱。特别地,非电气控制系统可控制液压流体的通量和/或通量方向,以控制风能系统的至少一个液压偏航马达的操作和/或操作方向。
[0030] 在某些实施例中,非电气控制系统220包括阀,其用于控制液压流体的通量,如图4所示。阀典型地为三位阀324,也被称作三通阀,且包括第一位置1、第二位置2和停止位置3。第一位置1允许通量的正通量方向。在图4中,具有正通量方向的通量向下流动通过第一管212f和第二液压管系统214的正管214p,且向上通过负管214n和第二管212s。第二位置2允许通量的负通量方向。在图4中,具有负通量方向的通量向下流动通过第一管
212f和第二液压管系统214的负管214n,且向上通过正管214p和第二管212s。停止位置
3停止通量。第二液压管系统214的正管214p和负管214n可适于将风能系统的至少一个液压偏航马达特别地连接到至少一个液压偏航马达的相应
端子。
[0031] 根据某些实施例,非电气控制系统220可包括促动器,例如,风向标322。促动器可包括板或翼板或其它器件,以将风力转换成机械力,诸如旋转力。在下文中,只是作为实例,促动器被称作风向标。风向标322可适于促动三位阀324。特别地,风向标可适于独立于电力促动三位阀。风向标可适于借助于作用于风向标上的风力而从第一位置、第二位置和停止位置中选择一个位置。
[0032] 作用于风向标上的风力取决于风速和风向与风向标指向的方向之间的角度。角度关系为正弦关系。如果风向和风向标基本上对准,则风向标上的力较小或甚至为零。三位阀324可包括阻力部分,其用于提供抵抗打开阀的阻力,例如机械阻力。由于阀控制液压流体到至少一个液压偏航马达的通量,如果风向标上的力变得太小,该通量将被停止。阻力部分可适于防止机舱过度偏航。以此方式,阻力部分可帮助改进偏航控制。另一方面,风向标的尺寸设置成以便提供足够大的力来克服
摩擦力和/或抵抗部分的抵抗力。
[0033] 根据本文所述的实施例的非电气控制系统可为非电气紧急控制系统。特别地,非电气控制系统可能能够在无电力的情况下操作。另外,如果非电气控制系统包括风向标来促动
液压阀,那么风力越强,非电气控制系统就变得越精确。由于风越强在转子叶片上的剪切力和疲劳负荷变得越大,但偏航调节得越精确(剪切力和疲劳负荷)就越小,本文所述的非电气控制系统可满足风能系统操作的安全性要求。非电气控制系统可(例如)允许偏航角的调节在所需角度的20°内或甚至10°内或甚至5°内。
[0034] 根据另外的实施例提供了一种用于独立于电力来调节风能系统的机舱的偏航的液压偏航调节系统。该液压偏航调节系统可为液压紧急偏航调节系统。液压偏航调节系统包括用于调节机舱的偏航的至少一个液压偏航马达。在某些实施例中,如图5所示,液压偏航调节系统包括液压偏航马达444。该液压偏航调节系统可包括偏航轴承140。偏航轴承140可包括齿轮且由图5中的齿轮象征性地示出。液压偏航马达444可包括以下中的至少一个:用于接合偏航轴承的齿轮的马达齿轮,以及用于减缓液压偏航马达的液压偏航马达
制动器。
[0035] 液压偏航调节系统可包括如本文所述的液压系统,例如关于图2和图3所述的液压系统。图5示出液压偏航调节系统,其包括连接部210、液压管系统212、非电气控制系统220和第二液压管系统214。液压管系统212、214和非电气控制系统可与关于图4所示的实施例相同或相似。在此情况下,液压偏航马达444可包括用于正管214p和/或负管214n的端子。如果液压流体通量在正方向上通过正管214p流动且通过负管214n流回,液压偏航马达444将以正旋转转动。如果液压流体通量在负方向上通过负管214n流动且通过正管214p流回,液压偏航马达444将以负旋转转动。偏航轴承可相应地由液压偏航马达444的正旋转或负旋转来转动且调节机舱的偏航。液压系统可提供流体压力来释放或接合液压偏航马达制动器。举例而言,可存在与(所存在的)液压偏航马达一样多的液压偏航马达制动器,例如,一个、两个、三个、四个、六个、八个或更多的液压偏航马达制动器。
[0036] 该液压系统大体可连接到所述风能系统的主传动系。液压系统适于由主传动系的动能驱动。
[0037] 在某些实施例中,液压偏航调节系统包括偏航
制动系统。偏航制动系统可包括用于使得偏航轴承减速和/或紧固的至少一个液压偏航制动器,例如一个、两个、三个、四个、六个、八个或更多的液压偏航制动器。液压系统可提供流体压力来释放或接合该至少一个液压偏航制动器。
[0038] 液压系统可例如包括至少一个分支压力阀来将流体压力提供给至少一个液压偏航制动器和/或至少一个液压偏航马达制动器。如果流体压力升高以促动至少一个偏航马达(例如在第二管系统214中),则至少一个压力阀可在压力
阈值以上打开。流体压力然后可促动至少一个偏航马达且释放至少一个液压偏航制动器和/或至少一个液压偏航马达制动器。流体压力可由连接到至少一个分支压力阀的又一液压管系统提供给相对应的制动器。如果流体压力落到阈值以下,例如,由于非电气控制系统切换到停止位置,则至少一个分支压力阀可关闭。由此,至少一个液压偏航制动器和/或至少一个液压偏航马达制动器可返回接合偏航轴承和/或至少一个液压偏航马达,且使偏航轴承和/或至少一个液压偏航马达减速。
[0039] 在另外的实施例中提供了风能系统。该能量系统包括主传动系,其用于以动能的形式传输风动力。如图5所示,根据某些实施例,主传动系包括主轴114、齿轮箱116和发电机轴118。主传动系可包括发电机和/或毂。一般而言,风能系统可包括不同的主传动系,例如,直接驱动主传动系或混合主传动系。
[0040] 风能系统还包括液压偏航调节系统,其用于独立于电力来调节风能系统的机舱的偏航。液压偏航调节系统可为根据本文所述的实施例(例如,如关于图5所述)的液压偏航调节系统。特别地,液压偏航调节系统可包括根据本文所述的实施例(例如,如关于图2和图3所述)的液压系统。液压系统可更特别地包括根据本文所述的实施例(例如,如关于图4所述)的非电气控制系统。
[0041] 根据典型实施例,液压系统连接到主传动系,例如,连接到齿轮箱。在图5中示出一实施例,其中液压系统200的连接部210连接到齿轮箱116。如果齿轮箱包括液压变速器,则液压系统典型地包括分接连接器,该分接连接器分接来自液压变速器的流体压力。如果齿轮箱并不包含液压系统,则液压系统典型地包括用于提供流体压力的液压泵。在这样的实施例中,液压泵由主传动系的动能驱动,且液压系统经由液压泵连接到主传动系。
[0042] 根据某些实施例,风能系统可包括液压叶片桨距调节系统,其用于独立于电力来控制主传动系的动能。图6示出风能系统的毂150和转子叶片154和156。根据某些实施例,如图6所示,液压叶片桨距调节系统包括至少一个液压变桨马达544,其用于调节叶片的桨距角,在图6中针对转子叶片154示范性地示出。桨距角可例如改变到空转角(angle of idling)的25°内,空转角由叶片位置限定,提供最小的迎风面积。该至少一个液压变桨马达544可经由第三液压管系统512连接到液压系统,例如,根据本文所述的实施例的液压系统。该至少一个变桨马达544可驱动至少一个变桨轴承540,其在图6中象征性地示出为齿轮。
[0043] 液压叶片桨距调节系统可在无电力的情况下操作和/或控制。由主传动系驱动的液压系统中的流体压力为液压系统所联接的轴的旋转速度的量度。因此,流体压力可用作通过相应地调节叶片的桨距来控制旋转速度的量。举例而言,高压可被认为是旋转叶片远离风向(或在
失速位置的方向上)的
信号,而小压力可被认为是移动叶片以与风向对准的信号。
[0044] 根据本文所述的实施例的风能系统可为带有液压紧急偏航调节系统和/或紧急液压叶片桨距调节系统的风能系统。由于紧急系统可为甚至在无电力的情况下能够操作的,风能系统甚至是在电力故障的情况下都可避免叶片上的风剪切力所致的疲劳负荷。根据本文所述的实施例的液压系统和/或非电气控制系统和/或液压偏航调节系统和/或液压叶片桨距调节系统是可独立于风能之外的外部能量供应来操作的系统。机舱的偏航和/或转子叶片的桨距可相应地受到控制,甚至是在除了风能之外无
能源存在的紧急情形下。
[0045] 通过避免转子叶片上的疲劳负荷,可延长叶片的寿命,对于风能系统的维护和停机时间的需要可更不频繁,且降低操作成本,而同时风能系统的安全性可得到提高。风能系统可更易于顺应负荷情况,例如“70°风剪切和50m/s阵风”。紧急系统可按照以下方式被启动:以故障安全方式来构建控制涡轮在正常模式中的操作的电气或电子构件,例如,电子控制器。即,在不存在
电压时它们可采取的操作状态中,液压紧急系统默认为起作用的。当电力和电压可用时,电气或电子构件可在正常模式中停用液压紧急系统。
[0046] 在另外的实施例中,液压偏航调节系统和/或液压叶片桨距调节系统可为补充系统,其作为诸如关于图1所描述的电子偏航调节系统这样的常规系统的补充来操作,以及可选地与之同时操作。液压偏航调节系统可粗调机舱的偏航,而电子偏航调节系统可精调机舱的偏航。在其它实施例中,液压偏航调节系统可将诸如电子偏航调节系统的常规系统一起替换掉。在这样的实施例中风能系统的产能可通过液压偏航调节而增强,其可恒定地调谐机舱的偏航。
[0047] 根据另外的更多实施例提供了一种独立于电力来调节风能系统的机舱的偏航的方法。该方法包括:从风能生成主传动系的动能。该方法还包括从主传动系的动能生成流体压力以便促动至少一个液压偏航马达来调节该机舱的偏航。流体压力可直接从主传动系的动能生成。该动能然后并不首先转换成其它形式的能,诸如
电能。该流体压力可由液压系统生成。其中,液压系统大体连接到风能系统的主传动系且由主传动系的动能驱动。根据某些实施例,该方法包括:由液压系统生成流体压力,液压系统可独立于除了风能之外的外部能量供应来操作。
[0048] 该方法还可包括:确定电力的可用性,且如果确定了电力不可用,则启动该液压系统。电力的可用性的可选确定和液压系统的启动典型地在提供流体压力之前发生,并且如果流体压力系统用作紧急系统的一部分而不是补充或独立系统的一部分,其更加普遍。
[0049] 该方法还可包括下列中的至少一个:通过流体压力来释放或接合下列中的至少一个:液压偏航制动器和至少一个液压偏航马达的至少一个液压偏航马达制动器;液压地调节该风能系统的转子叶片的桨距角,典型地用来控制该主传动系的动能;典型地通过控制流体压力对该至少一个
液压马达的可用性来控制该至少一个液压偏航马达的操作;由流体压力来促动该至少一个液压马达;调节机舱的偏航。促动至少一个液压马达和调节偏航可取决于流体压力对该至少一个液压马达的可用性。
[0050] 另外,控制至少一个液压偏航马达的操作还可包括:利用阀,典型地为液压阀,更典型地为三位阀,来控制液压流体的通量。三位阀可包括第一位置、第二位置和停止位置,第一位置允许通量的正通量方向,第二位置允许通量的负通量方向,而停止位置允许停止通量。该方法还可包括:借助于作用在诸如风向标的促动器上的风力来选择第一位置、第二位置和停止位置中的一个位置。
[0051] 根据另外的实施例,提供对根据本文所述的实施例的液压系统、非电气控制系统和液压偏航调节系统中的至少一个的使用,以用于调节风能系统的机舱的偏航。根据另外的实施例,提供根据本文所述实施例的液压叶片桨距调节系统用于控制主传动系的动能的用途。
[0052] 在上文中详细地描述了用于独立于电力来调节风能系统的机舱的偏航的系统和方法的示范性实施例。该系统和方法并不限于本文所述的具体实施例,而是系统的构件和/或方法的步骤可独立于本文所述的其它构件和/或步骤使用,以及与它们分开来使用。举例而言,液压系统和液压偏航调节系统并不限于仅用本文所述的风力涡轮系统来实践。而是,示范性实施例可结合许多其它转子叶片应用来实施和利用。
[0053] 虽然本发明的多种实施例的具体特征可能在某些附图中示出而未在其它附图中示出,但这只是出于方便目的。根据本发明的原理,附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来参考和/或
声明保护。
[0054] 本书面描述使用实例来公开本发明,包括最佳模式,且还使本领域任何技术人员能够实践本发明,包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。虽然在前文中公开了各种具体实施例,但本领域技术人员将认识到,权利要求的精神和范围允许同样有效的修改。特别地,上文所述实施例的相互非排它性的特征可彼此组合。本发明的
专利保护范围由权利要求限定,且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果它们包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件,则这样的其它实例预期在权利要求的范围内。