[发明专利]用于保护风力涡轮机免受损坏的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机以及更具体地涉及保护风力涡轮机免受由异常或极端风况引起的损坏。

背景技术

当为特定的运行地点选择风力涡轮机时，须考虑到场地的特性诸如场地地形的复杂度与平均风况。被选中的风力涡轮机能在理想情况下在额定功率运行尽可能长的时间。然而，实际上，风速是可变的并且风力涡轮机必须能应对各种各样的风速。在低风速时功率输出将或者为零（如果有可忽略的风）或者低于额定功率。一旦风速增加到发出额定功率所需的风速以上，风力涡轮机例如将通过改变叶片的桨距以减少从风中采集的功率而保护自身免受损坏。在极端情况下风力涡轮机可以停机或从风中偏航出来以避免灾难性损坏。然而，停机或偏航需要时间，并且在某些情况下停机或偏航不能避免风力涡轮机部件发生严重的损坏。

在设计风力涡轮机时，期望的是将叶片的长度最大化并且将部件的重量最小化。然而，这一过程是降低发电成本和风力涡轮机完整性之间的平衡；风力涡轮机必须设计为能够承受其将曝露于的最恶劣的风况。

一种部分地存在问题的风况是极端阵风。这种阵风可以每年只发生一次或每隔几年只发生一次，但其具有引起风力涡轮机严重损坏的潜力。设计师使用的特别的阵风分布是所谓的“墨西哥帽式”阵风，其中即时风速恰好在阵风冲击风力涡轮机之前下降。风速的下降在风力涡轮机处被探测到，风力涡轮机可以响应风速的下降对叶片进行变桨以提高产生的功率。随即当极端阵风冲击风力涡轮机叶轮时，叶片已被变桨至不适当的角度从而极大地增加了叶片上的负载并且增加了风力涡轮机部件的严重损坏的可能性。“墨西哥帽式”极端阵风状况在国际标准IEC61400-1第三版S.6.3.2.2.节中有所描述。国际标准IEC61400-1将阵风定义为风速的暂时改变（定义3.20）并且将极端风速定义为以1/N（“重复周期”：N年）的年遭遇概率在t秒内平均的风速最大值。该定义的注释指出：在该国际标准中使用N=50年和N=1年的重复周期以及t=3分钟或t=10分钟的平均时间间隔，然而，风力涡轮机使用极端风速以设计负载工况。

6.3.2.2节将极端运行阵风（EOG）定义为:

对于标准风力涡轮机分类而言轮毂高度处阵风幅度V_gust应当由以下公式给出：

Vgust=Min{1.35(Ve1-Vhub);3.3(σ11+0.1(DΛ1))}]]>

其中

σ₁是湍流标准偏差的代表值

Λ₁是湍流尺度参数

D是叶轮直径

设计者在设计风力涡轮机时必须加以考虑的其他极端状况包括风向的极端改变、极端风切变、极端湍流以及方向改变的极端一致阵风。

由于需要将风力涡轮机设计为在这些极端状况下生存，风力涡轮机对于普通运行状况被有效地过度设计了。我们意识到，如果能够减轻这些极端运行状况的影响，尤其是风力涡轮机叶片的材料用量就可以被减少以降低制造成本。替代地，叶片可以被制成更长的尺寸，以提高其在低风速下的风能获取以及使得其能够达到更大的额定功率。

发明内容