Способ эксплуатации ветроэнергетической установки в условиях обледенения - RU2567616C2

Чертежи

Описание

Настоящая заявка относится к способу эксплуатации ветроэнергетической установки, а также к соответствующей ветроэнергетической установке и к ветроэнергоцентру с множеством ветроэнергетических установок.

Способы эксплуатации ветроэнергетической установки являются общеизвестными, и настоящая заявка исходит, в частности, из ветроэнергетической установки согласно фиг. 1, которая имеет гондолу с ротором и роторными лопастями на втулке, причем гондола установлена на мачте с возможностью поворота. При работе ветроэнергетической установки ветер воздействует на роторные лопасти и создает тем самым вращательное движение, которое в гондоле посредством генератора вырабатывает электрическую энергию. В частности, изобретение исходит из ветроэнергетических установок с регулируемым углом роторной лопасти, так называемых ветроэнергетических установок с регулируемым шагом.

В случае мест размещения ветроэнергетических установок, в которых могут проявляться температуры ниже точки замерзания, существует опасность обледенения ветроэнергетической установки, в частности роторных лопастей. На роторных лопастях ветроэнергетических установок может, таким образом, при определенных погодных условиях происходить образование льда, изморози или снежных наносов. Предпосылками являются, как правило, высокая влажность воздуха или дождь, или снегопад при температурах несколько ниже точки замерзания. При этом наиболее часто температуры обледенения лежат в диапазоне от -1°С до -4°С. Выше +1°C и ниже -7°С обычно не происходит обледенения. При более низких температурах имеющаяся влажность воздуха в воздухе слишком низка.

В то время как обледенение или осаждение изморози может достигать таких толщин, что при их обрушении может создаваться опасность для людей и предметов, рыхлые снежные наносы, которые при снегопаде наносятся, как правило, на несущественные участки роторной лопасти, как, например, фланец, обычно не представляют опасности.

Проблематичной в ветроэнергетических установках является, в частности, опасность сброса льда или обрушения льда. При работе ветроэнергетической установки с множеством роторных лопастей из-за отбрасывания кусков льда может создаваться опасность ближней окружающей среде. При остановке ветроэнергетической установки опасность из-за обрушения масс снега или льда ветроэнергетической установки, по существу, не отличается опасности, создаваемой другими высокими сооружениями.

Способ эксплуатации ветроэнергетической установки с учетом возможности обледенения описан в выложенной заявке Германии DE 10323785 А1. Там рабочие параметры, как, например, мощность ветроэнергетической установки в зависимости от краевых условий, таких как скорость ветра, сравнивается, в принципе, с номинальными значениями, которые возникают при соответствующей скорости ветра. Из отклонений между зарегистрированным рабочим параметром и предусмотренным рабочим параметром может быть сделан вывод об осаждении льда, и могут быть введены соответствующие защитные меры, в частности, к этому относится остановка ветроэнергетической установки.

В основе такого способа действий лежит знание о том, что осаждение льда на роторных лопастях оказывает влияние на аэродинамику лопастей и, тем самым, ротора, за счет чего возникают отклонения от режима работы установки. Они распознаются и оцениваются посредством описанного сравнения рабочих параметров.

При этом проблематичным является то, что этот тип определения предполагает по возможности стационарный, стабильный и по возможности равномерный режим работы ветроэнергетической установки.

При слабом ветре, который соответствует скоростям ветра ниже 3 или 4 м/с, таких идеальных условий чаще всего не имеется. При сильном ветре, который чаще всего соответствует скоростям ветра от 20 м/с или 25 м/с, чувствительность такого известного способа часто недостаточна. Соответственно возможные оценки осаждения льда не очень надежны или даже невозможны.

Подобная проблема возникает, если ветроэнергетическая установка останавливается, потому что в состоянии покоя невозможно сравнивать никакие рабочие параметры с заданными рабочими параметрами. При этом ветроэнергетическая установка может останавливаться по самым разным причинам. Сюда относятся остановка ввиду слишком слабого ветра, остановка ввиду слишком сильного ветра, остановка в целях технического обслуживания, а также остановка ввиду сетевого сбоя подключенной электрической сети электроснабжения, в которую вводится энергия ветроэнергетической установки и из которой ветроэнергетическая установка отбирает энергию для поддержания ее эксплуатации. В остальном также учитывается остановка ветроэнергетической установки ввиду распознанного осаждения льда.

Таким образом, в основе изобретения лежит задача решить по меньшей мере одну из вышеуказанных проблем. В частности, должно быть улучшено распознавание осаждения льда или распознавание оледенения, так что и за пределами до сих пор надежной области распознавания ветроэнергетической установки может проводиться распознавание осаждения льда. Но по меньшей мере должно быть найдено альтернативное выполнение.

Таким образом, в соответствии с изобретением предлагается способ эксплуатации ветроэнергетической установки согласно пункту 1 формулы изобретения.

В соответствии с этим в основе лежит ветроэнергетическая установка с гондолой с электрическим генератором для генерации электрического тока и связанным с генератором аэродинамическим ротором с одной или несколькими роторными лопастями.

Такая ветроэнергетическая установка эксплуатируется в принципе известным образом, причем ротор вращается, если осаждение льда на роторных лопастях может быть надежным образом исключено. Это, в частности, имеет место в том случае, если температура окружающей среды высока, в частности заметно выше +2°С. Но также при низких температурах относительно точки замерзания осаждение льда исключается, если рабочие параметры при работе ветроэнергетической установки имеют соответственно ожидаемое значение. Это означает, в частности, что в диапазоне частичной нагрузки, если также не имеет места достаточный ветер для эксплуатации ветроэнергетической установки с номинальной мощностью, вырабатываемая ветроэнергетической установкой мощность соответствует мощности, ожидаемой при преобладающей скорости ветра. В диапазоне полной нагрузки, если, таким образом, на основе преобладающей скорости ветра ветроэнергетическая установка может эксплуатироваться с номинальной мощностью, это означает, что, в случае ветроэнергетической установки с регулированием шага, установленный угол роторной лопасти соответствует углу роторной лопасти, ожидаемому при преобладающей скорости ветра.

Если, напротив, на роторных лопастях распознано осаждение льда, то ветроэнергетическая установка останавливается. Осаждение льда распознается, например, за счет того, что при наличии температуры окружающей среды, которая делает возможным осаждение льда, а именно, в частности, при температуре окружающей среды ниже +2°С, имеют место отклонения между фактической и ожидаемой мощностью или отклонения между фактическим и ожидаемым углом роторной лопасти, которые позволяют сделать вывод об осаждении льда. В диапазоне частичной нагрузки это обычно имеет место в том случае, если фактическая мощность заметно ниже ожидаемой мощности, поэтому следует исходить из того, что осаждение льда снижает КПД ветроэнергетической установки. Также учитывается отношение выработанной ветроэнергетической установкой электрической мощности к мощности, обеспечиваемой при преобладающем ветре. Другим методом распознавания осаждения льда является, например, контроль собственной частоты роторных лопастей в процессе работы. Это также базируется на предпосылках, которые не всегда имеют место в достаточной степени. Также известны другие способы, которые также могут иметь свои пределы использования. К ним относится, к примеру, оптический способ, который в условиях тумана или в ночных условиях является плохо применимым.

Если теперь осаждение льда не распознано, но следует ожидать, что его не следует исключать, предлагается останавливать ветроэнергетическую установку с задержкой по времени. Выше было описано, когда распознается осаждение льда. Его следует ожидать, в частности, тогда, когда температура окружающей среды лежит ниже предельной температуры, в частности ниже +2°С. Правда при +2°С еще не мог бы образовываться лед, но чтобы исключить риск из-за нераспознавания или неучета возможного осаждения льда, предлагается в основу положить это относительно высокое значение +2°С. Тем самым также учитывается то, что могут проявиться неточности измерения, что измерение температуры осуществляется не непосредственно на потенциальном месте обледенения, а также, что условия обтекания оказывают влияние на температуру. Альтернативно можно также устанавливать другое значение, в частности предельное значение +1°С или +3°С или +4°С.

В соответствии с изобретением было выявлено, что остановка ветроэнергетической установки в случае нераспознанного, но ожидаемого или неисключаемого осаждения льда повышает безопасность для людей и предметов в области ветроэнергетической установки, причем результирующие потери дохода получаются сравнительно незначительными в сопоставлении с полной производительностью за год ветроэнергетической установки. Это объясняется, в частности, тем, что такая остановка осуществляется при очень высоких скоростях ветра, которые проявляются редко, или при очень низких скоростях ветра, при которых и без того может быть получен низкий доход.

В соответствии с изобретением также было выявлено, что только при больших толщинах льда происходит отбрасывание отдельных кусков льда, и поэтому остановка или предотвращение повторного пуска ветроэнергетической установки должны осуществляться не сразу же, а, напротив, могут осуществляться с задержкой. За счет этого возможные потери дохода могут быть снижены и подчас снижены значительно.

При этом остановка ветроэнергетической установки и предотвращение повторного запуска может предприниматься при сходных предпосылках. При этом задержанное по времени предотвращение повторного запуска ветроэнергетической установки может означать, что остановленная ветроэнергетическая установка, ввиду временной задержки, сначала не препятствуется в повторном запуске. Таким образом, она запускается снова и при обстоятельствах доходит с временной задержкой до рабочей точки, в которой является возможным осаждение льда распознать более надежно, в частности более надежно, чем в состоянии покоя. При этом если удается надежно распознать, что осаждения льда нет, то эта временная задержка в результате приводит к тому, что ветроэнергетическая установка снова запускается и работает нормально и приносит соответствующий доход. Без временной задержки существовала бы опасность того, что установка не запускается, осаждение льда не распознавалось бы, и установка, таким образом, сначала продолжительно оставалась бы в состоянии покоя.

В настоящей заявке под остановкой ветроэнергетической установки - если иное не выражено в явном виде - следует понимать то, что она останавливает ротор, во всяком случае позволяет двигаться в неустойчивом режиме. Однако система управления производством остается в работе, так как могут добавляться другие помехи, как, например, сетевой отказ, которые препятствуют поддержанию в рабочем состоянии системы управления производством. При сетевом отказе данные состояния сохраняются до восстановления сети.

Временная задержка может, например, начинаться с момента времени или учитывать этот момент времени, в который осаждение льда следовало ожидать или в который оно могло не исключаться. В частности, временная задержка может начинаться в момент, когда температура окружающей среды спадает ниже предельной температуры.

Дополнительно или альтернативно предлагается, что остановленная ветроэнергетическая установка вновь запускается с временной задержкой, когда условие установки, например из-за отбрасывания тени, из-за контроля колебания или также вручную, как, например, для технического обслуживания, которое привело к остановке ветроэнергетической установки, вновь устранено, и осаждение льда не было распознано, не было ожидаемым или не исключавшимся. Временная задержка начинается в момент времени или учитывает такой момент времени, в который имеет место условие, что осаждение льда не было распознано, и оно не являлось ожидаемым. Это может означать, что перед этим моментом времени следовало ожидать осаждения льда или даже оно имело место. Но оно также может означать, что перед этим моментом времени было неясно, какая ситуация имеет место. Временная задержка, таким образом, предлагается, чтобы учесть, что, хотя осаждение льда не было распознано и не являлось ожидаемым, еще мог бы иметься остаточный лед. Иногда наблюдавшиеся условия указывают только на то, что образования осаждения льда не следует ожидать, но о наличии осаждения льда можно судить лишь с трудом или вообще невозможно сделать никакого вывода. В частности, такое условие имеет место, если температура окружающей среды лежит выше, особенно незначительно выше предельной температуры, как, например, 2°C. При более высокой температуре, особенно выше 2°C, не требуется считаться с осаждением льда. Но в состоянии перед осаждением льда это, вероятно, может еще, по меньшей мере частично, иметь место. В частности для этого случая временная задержка приводит к тому, что возможные остатки осаждения льда могут растаять.

Согласно одной форме выполнения предлагается, что остановка или предотвращение повторного запуска ветроэнергетической установки, а также или альтернативно разрешение повторного запуска ветроэнергетической установки осуществляется в зависимости от индикатора подозрения на лед. Индикатор подозрения на лед, который также может обозначаться просто как

индикатор, образует меру вероятности осаждения льда и соответственно определяется или изменяется. Индикатор подозрения на лед при этом определяется или изменяется так, что он может дать указание на вероятность или может применяться, не требуя представления им значения вероятности в математическом смысле. Далее индикатор подозрения на лед, в частности, поясняется так, что большее значение указывает на высокую вероятность осаждения льда, а меньшее значение указывает на низкую вероятность осаждения льда. Специалист может, на основе соответствующего изобретению решения, равным образом предусмотреть это наоборот или сделать перестановку.

Индикатор подозрения на лед может предпочтительным образом определяться в зависимости от рабочих параметров и/или в зависимости от условий окружающей среды и может в зависимости от них также изменяться. Предпочтительным образом учитывается время. Таким образом, является предпочтительным, если индикатор подозрения на лед изменяется таким образом, что он зависит от предыдущих значений и от того, насколько далеко они остались позади и/или как долго они уже продолжались.

Согласно форме выполнения индикатор подозрения на лед выполнен как счетчик. Здесь ниже приводится, в частности, выполнение, при котором индикатор подозрения на лед выполнен как переменная, реализованная в вычислителе процесса, которая свое значение может произвольно повышать или снижать в основном внутри заданных пределов.

Соответственно в одной форме выполнения предусмотрено, что индикатор подозрения на лед изменяет свое значение в первом направлении, в частности повышает, если условия окружающей среды и/или рабочие условия ветроэнергетической установки благоприятствуют осаждению льда и/или указывают на осаждение льда, в частности, если температура окружающей среды лежит ниже предельной температуры. Это изменение осуществляется, в частности, в зависимости от времени, так что значение изменяется во времени последовательно или непрерывно. Таким образом, если температура окружающей среды лежит ниже предельной температуры +2°С, то это значение всегда далее увеличивается во времени, пока оно не достигнет настолько высокого значения, которое может быть сохранено в качестве предельного значения и может обозначаться как предельное значение остановки, при котором ветроэнергетическая установка останавливается или при которой предотвращается повторный запуск ветроэнергетической установки. Если, например, ветроэнергетическая установка находится в состоянии, в котором на основе прошлых значений, из которых следует исходить, что не имеется осаждения льда, и общая ситуация изменяется до условий, при которых осаждение льда не может более исключаться, то счетчик начинает медленно повышаться. До тех пор, пока он не достигнет предельного значения остановки - если он его вообще достигнет - проходит время, которое также зависит от быстроты повышения этого счетчика.

Дополнительно или альтернативно предлагается, что счетчик свои значения изменяет во втором направлении, в частности снижается, если условия окружающей среды или рабочие условия ветроэнергетической установки указывают на то или благоприятствуют тому, что осаждения льда не имеется или оно снижается, особенно если температура окружающей среды лежит выше предельной температуры.

Таким образом, если имеет место ситуация, при которой следует исходить из осаждения льда, или ситуация неясна, и ситуация изменяется в ситуацию, при которой осаждение льда или по меньшей мере возникновение осаждения льда может исключаться, то значение индикатора подозрения на лед, то есть значение счетчика постепенно уменьшается во времени. Оно уменьшается, пока не достигается предельное значение счетчика, в частности предельное значение повторного запуска.

Вышеописанные процессы повышения или снижения индикатора подозрения на лед могут длиться несколько ч вплоть до 10 ч или быть еще длиннее. В это время ситуация, которая указывает на возможность осаждения льда и приводит к увеличению значения счетчика, может измениться в ситуацию, в которой можно исходить из уменьшения осаждения льда, в частности оттаивания, или в которой имеются надежные значения, которые позволяют исключить осаждение льда. Значение индикатора подозрения на лед или счетчика при этом снова снижается. Также может проявиться обратная ситуация, при которой счетчик вновь изменяет значение в направлении увеличения. В зависимости от ситуации изменяется, таким образом, направление, в котором изменяется значение индикатора подозрения на лед. За счет этого учитывается соответствующая, оставшаяся в прошлом ситуация. Также предпочтительно для повышения и для снижения используется один и тот же счетчик.

Согласно другой форме выполнения предлагается, что изменение значения, то есть значения индикатора подозрения на лед как счетчика, осуществляется со скоростью, зависящей от условий окружающей среды и/или рабочих условий ветроэнергетической установки. В соответствии с этим значение повышается или снижается, таким образом, не всегда одинаково во времени, но также учитывает дифференцированный способ рассмотрения существующих условий.

При этом предпочтительным образом значение при преобладающем слабом ветре, то есть, в частности, ветре со скоростями ветра ниже 4 м/с, повышается медленнее, чем при преобладающем сильном ветре, а именно, в частности, при скоростях ветра выше 20 м/с, если установка работает. В основе этого лежит знание того, что при очень высоких скоростях набегающего потока на лопасти ротора, обусловленных работой установки при высоких скоростях ветра, осаждение льда может формироваться быстрее, и, таким образом, время до остановки ветроэнергетической установки должно быть короче. Это может учитываться посредством более быстрого нарастания значения индикатора подозрения на лед, которое, таким образом, быстро достигает предельного значения остановки. Но также существует возможность реализовать увеличенное временное запаздывание при преобладающем слабом ветре иным образом, чем посредством индикатора подозрения на лед в качестве счетчика, как, например, посредством справочной таблицы или таблицы преобразования.

Предпочтительным образом повышение значения индикатора подозрения на лед предпринимается также тогда медленнее, чем при работе установки при преобладающем сильном ветре, если ветроэнергетическая установка останавливалась на основе автоматической остановки установки, как при отключении при отбрасывании тени или недостаточном ветре или при ручной остановке установки, как, например, для технического обслуживания, независимо от преобладающей скорости ветра.

Другая форма выполнения предлагает дополнительно или альтернативно значение индикатора подозрения на лед в качестве счетчика снижать тем медленнее, чем ниже температура окружающей среды, в частности значение снижать пропорционально интегралу, образованному по времени от разности температуры окружающей среды до предельной температуры.

Отсюда получается временная задержка, которая тем меньше, чем больше температура окружающей среды. Иными словами, ветроэнергетическая установка может тем раньше вновь запуститься, чем теплее. Ветроэнергетическая установка с тем меньшей временной задержкой для повторного запуска, чем выше температура окружающей среды, может быть реализована также иначе, чем с применением индикатора подозрения на лед в качестве счетчика. Например, может предусматриваться так называемая таблица преобразования, которая предоставляет значения временной задержки для определенных температур окружающей среды.

Другая форма выполнения отличается тем, что ветроэнергетическая установка связана с электрической сетью, и в случае сетевого отказа ветроэнергетическая установка останавливается, а при восстановлении сети, если, таким образом, сетевой отказ устранен, повторный запуск ветроэнергетической установки осуществляется в зависимости от расчетной температуры, которая зависит от температуры окружающей среды при сетевом отказе и от температуры окружающей среды при восстановлении сети. В основе этого лежит идея о том, что на длительности сетевого отказа, а именно от начала сетевого отказа до восстановления сети информация относительно рабочих параметров и условий окружающей среды, в частности температуры окружающей среды, отсутствует или имеется лишь в ограниченной степени. Чтобы иметь возможность лучше оценить возможность осаждения льда по окончании сетевого отказа, в основу кладется значение температуры для температуры окружающей среды, которое зависит от температуры при восстановлении сети, то есть от текущей температуры, и от последней зарегистрированной температуры окружающей среды перед или в начале сетевого отказа.

Предпочтительным образом расчетная температура вычисляется как среднее значение температуры окружающей среды в начале сетевого отказа и температуры окружающей среды при восстановлении сети, если сетевой отказ составляет не более чем первое время отказа, в частности не более двух ч. В основе этого лежит знание о том, что температура окружающей среды изменяется не слишком быстро, и при малых временах отказа рассмотрение температуры окружающей среды перед и после сетевого отказа уже может предоставить рациональную информацию для вероятности осаждения льда. Если, например, температура окружающей среды при восстановлении сети равна +2°С, то осаждение льда является вероятным, если температура окружающей среды в начале сетевого отказа была заметно ниже, в то время как, напротив, осаждение льда маловероятно, если температура окружающей среды в начале сетевого отказа была заметно выше.

Благоприятным является, при более длительном сетевом отказе, для определения расчетной температуры, которая также может называться расчетной температурой, предусмотреть безопасное значение температуры. Так предлагается расчетную температуру при более длительном сетевом отказе, в частности при сетевом отказе свыше двух ч, снизить на 2 К.

Согласно форме выполнения, ветроэнергетическая установка размещена в ветроэнергоцентре и останавливается, если по меньшей мере одна другая ветроэнергетическая установка этого ветроэнергоцентра, из-за осаждения льда или подозрения на осаждение льда, останавливается. В основе этого лежит знание о том, что ветроэнергетические установки, во всяком случае, в отношении осаждения льда в том же самом энергоцентре, ведут себя приблизительно одинаково, потому что параметры окружающей среды, такие как температура окружающей среды, влажность воздуха и скорость ветра, сходны. В основе этого лежит знание о том, что, хотя осаждение льда на одной ветроэнергетической установке в энергоцентре не обязательно должно означать, что также все другие ветроэнергетические установки в энергоцентре будут обнаруживать осаждение льда, однако вероятность осаждения льда в остальных ветроэнергетических установках того же самого энергоцентра высока. Ошибочные прогнозы могут при этом появляться лишь редко и едва ли отражаются на полном доходе ветроэнергетической установки за год, при этом предотвращение обрушения льда может значительно повышаться.

Предпочтительным образом ветроэнергетическая установка, которая из-за распознанного осаждения льда или подозрения на это была остановлена, будет ориентировать свою гондолу таким образом, чтобы поддерживалось по возможности большее расстояние до областей, которым угрожает падение льда, особенно транспортным путям и предметам. За счет этого снижается не только опасность из-за обрушения льда, но и также опасность из-за падения льда, как это может происходить в случае других высоких сооружений.

Предпочтительным образом применяется ветроэнергетическая установка, которая имеет обогреваемый датчик ветра для измерения скорости ветра и обогревает последний по меньшей мере в случае подозрения на осаждение льда. Например, может применяться так называемый ультразвуковой анемометр. Тем самым также в случае осаждения льда, которое может возникать не только на роторных лопастях, но и, например, на анемометре, обеспечивается надежное измерение скорости ветра. В соответствии с этим могут тогда использоваться также распознавания осаждения льда, которые требуют надежной информации о скорости ветра.

Предпочтительным образом предложено применять датчик льда, который непосредственно измеряет осаждение льда на ветроэнергетической установке, в частности, на одной или нескольких роторных лопастях. Такое измерение может дополнять вышеописанные распознавания льда. Следует принимать во внимание, что применение датчиков льда сначала вызывает соответствующие инвестиционные затраты. Они могут быть при обстоятельствах быстро амортизированы, если на основе однозначных показаний такого датчика льда относительно того, что осаждение льда отсутствует, ветроэнергетическая установка может эксплуатироваться, в то время как в ином случае она должна была бы ради предосторожности останавливаться.

Предпочтительным образом в ветроэнергоцентре может быть предусмотрено оснащать таким датчиком льда только несколько или одну из ветроэнергетических установок, и полученную отсюда информацию об осаждении льда переносить на другие ветроэнергетические установки ветроэнергоцентра, которые не имеют датчика льда. За счет этого затраты на датчик льда могут распределяться на несколько установок. Предпочтительным образом полученная с помощью датчика льда информация об осаждении льда оценивается совместно с соответствующими преобладающими условиями окружающей среды и/или условиями эксплуатации соответствующей ветроэнергетической установки, в частности сохраняются, чтобы улучшить прогноз осаждения льда, в частности индивидуализировать его для соответствующей ветроэнергетической установки. Распознавание осаждения льда может, таким образом, согласовываться с типом установки и местом ее расположения, в частности, за счет соответствующей обучаемой программы.

Далее изобретение поясняется более подробно на примере выполнения со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано следующее:

фиг. 1 - ветроэнергетическая установка в пространственном представлении,

фиг. 2 - характеристика индикатора подозрения на лед для различных скоростей ветра,

фиг. 3 - характеристика индикатора подозрения на лед для двух различных температур окружающей среды,

фиг. 4 - характеристика индикатора подозрения на лед согласно форме выполнения в зависимости от иллюстративной температурной характеристики,

фиг. 1 показывает ветроэнергетическую установку 1 с гондолой 2, аэродинамическим ротором 3, с роторными лопастями 4 со ступицей (втулкой) 5 и мачтой 6.

На фиг. 2 показана характеристика индикатора подозрения на лед, а именно его значение в зависимости от времени для двух примеров. В соответствии с этим проводится различие между преобладающими скоростями ветра, которые могут обозначаться как сильный ветер, с одной стороны, и такими, которые могут обозначаться как слабый ветер, с другой стороны. Фиг. 2 относится в обоих примерах к случаю, когда ветроэнергетическая установка находится в работе, и ротор ветроэнергетической установки вращается, таким образом, установка не остановлена. К моменту времени t1=0 возникает событие, которое инициирует отсчет индикатора подозрения на лед в сторону повышения. Это может, например, происходить, когда температура окружающей среды снижается ниже предельной температуры. Но также, например, учитывается, что температура уже лежит ниже предельной температуры, и преобладающая скорость ветра спадает на такое значение, что следует исходить из ситуации слабого ветра, или преобладающая скорость ветра повышается до такого значения, что следует исходить из ситуации сильного ветра.

До значения индикатора подозрения на лед перед моментом времени t1 значения не определены. Он может, например, иметь значение 0, или индикатору подозрения на лед вообще только к моменту времени t1 присвоено значение.

Начальное значение индикатора подозрения на лед может также рассматриваться как значение, которое приводит к повторному запуску ветроэнергетической установки в другом случае. Однако в случае, показанном на фиг. 2, до этого не доходит, так что значение «старт» показано только в скобках.

В любом случае к моменту времени t1 имеется условие, на основе которого индикатор подозрения на лед непрерывно повышается во времени. Повышение осуществляется для преобладающего сильного ветра быстрее, чем для преобладающего слабого ветра. Тем самым индикатор подозрения на лед достигает при преобладающем сильном ветре уже к моменту времени t2 значения, при котором ветроэнергетическая установка останавливается. Это значение на фиг. 2 характеризуется посредством горизонтальной пунктирной линии, обозначенной посредством «стоп». В данном примере индикатор подозрения на лед достигает при преобладающем сильном ветре критерия для остановки ветроэнергетической установки через 2 ч. В случае слабого ветра критерий для остановки ветроэнергетической установки достигается только к моменту времени t3, который в этом примере составляет 10 ч.

На фиг. 2 показано упрощенное представление, которое по существу исходит из того, что преобладающие краевые условия по существу стационарны.

Фиг. 3 также показывает две примерные характеристики индикатора подозрения на лед, но для ситуации, когда ветроэнергетическая установка остановлена. К моменту времени t1, который упрощенно указан как 0, имеют место критерии, которые ведут к тому, что индикатор подозрения на лед снижается. И здесь он не приходит сначала к своему начальному значению, и он может соответствовать случаю, при котором установка была остановлена, вследствие чего по ординате в скобках представлено «стоп». Снижение, которое также может быть обозначено как отсчет с понижением, индикатора подозрения на лед зависит от разностной температуры, а именно текущей температуры окружающей среды относительно предельной температуры, причем температура окружающей среды должна быть выше, чем предельная температура. Эта разностная температура указана на фиг. 3 как ΔТ. В основе представления лежит предположение, что имеют место стационарные условия, в частности, что разностная температура ΔТ в этом случае постоянно соответствует 3 К, а в другом показанном случае постоянно соответствует 1 К.

Значение индикатора подозрения на лед согласно фиг. 3 снижается соответственно интегралу разностной температуры по времени. В показанных примерах на фиг. 3 разностная температура, таким образом, представляет собой постоянное температурное значение, а именно 3 К в одном случае или 1 К в другом случае, которая интегрируется по времени. В случае большей разности температур 3 К индикатор подозрения на лед достигает уже к моменту времени t2 значения, при котором установка вновь запускается, что показано словом «старт». Таким образом, в показанном примере установка вновь запускается спустя 2 ч.

В случае меньшей разности температур, равной только 1 К, индикатор подозрения на лед достигает только к моменту t3 значения, при котором установка может быть вновь запущена. Так как разность температур здесь составляет лишь треть от первого примера, момент времени t3 достигается спустя 6 ч.

В случае показанных характеристик используется постоянная времени интегрирования, которая зависит от преобладающей ситуации с ветром. Эта постоянная времени интегрирования при преобладающем сильном ветре больше, в показанном примере коэффициент 3, чем при преобладающем слабом ветре. Соответственно индикатор подозрения на лед в случае сильного ветра достигает в три раза быстрее значения, при котором установка вновь запускается. Эти значения указаны на фиг. 3 как t2'=40 мин для разности температур ΔТ=3 К или t3'=2 ч для разности температур ΔТ=1 К.

Согласно фиг. 4 иллюстрируется пример того, как температура окружающей среды влияет на характеристику индикатора подозрения на лед. Для этого фиг. 4 показывает в верхнем представлении характеристику индикатора подозрения на лед, причем сначала исходим из установки, работающей в ненадежном диапазоне распознавания льда. Представление также справедливо для случая, когда установка остановлена. Нижнее представление показывает фиктивную характеристику температуры окружающей среды. Показанная характеристика температуры окружающей среды была выбрана в целях наглядного представления и не претендует на соответствие возможной реальной температурной характеристике температуры окружающей среды.

В представленном примере в основу положена предельная температура T_G=2°C. Фактическая температура составляет сначала примерно 4^oC и лежит, тем самым, выше предельной температуры. Так как индикатор подозрения на лед сначала еще не установлен или имеет начальное значение, и ветроэнергетическая установка находится в работе и ее ротор вращается, температура сначала не имеет воздействия на показанную характеристику индикатора подозрения на лед.

К моменту t1 температура достигает значения предельной температуры и продолжает падать дальше. Таким образом, в принципе существует опасность осаждения льда, и индикатор подозрения на лед начинает, тем самым, повышаться от момента времени t1.

К моменту времени t2 температура лежит ниже предельной температуры и теперь вновь повышается. Это, однако, сначала не имеет влияния на индикатор подозрения на лед, и он продолжает повышаться.

К моменту времени t3 температура превышает предельное значение и непрерывно повышается дальше. Индикатор подозрения на лед с момента времени t3 дальше не повышается, потому что больше нельзя исходить из осаждения льда или возникновения осаждения льда. Более того, теперь индикатор подозрения на лед вновь снижается. Поскольку температура и, тем самым, также разностная температура повышается, интеграл здесь дает в основном характеристику второго порядка.

К моменту времени t4 температура имеет значение заметно выше предельной температуры и сначала сохраняет это значение. В соответствии с этим получается уменьшение индикатора подозрения на лед в виде линейного участка.

К моменту времени t5 температура непрерывно понижается, и соответственно индикатор подозрения на лед снижается все более медленно.

К моменту времени t6 температура вновь достигает предельной температуры и снижается дальше. Таким образом, с момента времени t6 индикатор подозрения на лед вновь повышается.

К моменту времени t7 температура вновь повышается, но остается ниже предельной температуры. Индикатор подозрения на лед повышается, таким образом, неизменно дальше.

К моменту времени t8 температура продолжает находиться ниже предельной температуры. Но индикатор подозрения на лед имеет здесь значение, которое приводит к остановке ветроэнергетической установки. Это характеризуется на ординате понятием «стоп».

С момента времени t8 температура хотя и повышается далее, но сначала остается ниже предельной температуры. Так как установка уже остановлена, индикатор подозрения на лед далее не изменяется, что на фиг. 4 на верхнем участке указано постоянным значением.

К моменту времени t9 температура достигает предельного значения температуры и повышается дальше. Индикатор подозрения на лед теперь снова снижается, но установка остается в состоянии остановки. Если индикатор подозрения на лед теперь продолжает снижаться, пока он не достигнет значения «старт», которое обозначено несколько выше абсциссы, она может вновь запуститься, что на фиг. 4 дальше не изображено.

Упрощенно говоря, способы действий для повышения индикатора подозрения на лед согласно фиг. 2 и для снижения индикатора подозрения на лед согласно фиг. 3 объединены на фиг. 4. Тем самым эти взаимосвязи на фиг. 4 объединяются, что соответствует одной форме выполнения. Но в принципе также взаимосвязи или способы функционирования согласно фиг. 2, с одной стороны, и согласно фиг. 3, с другой стороны, могут использоваться отдельно друг от друга.

Согласно форме выполнения, таким образом, возможно, распознавание льда или распознавание осаждения льда расширить на одно рабочее состояние, которое может быть обозначено как подозрение на лед. Относительно этого должны, в частности, определяться рабочие ситуации, при которых, возможно, возникающее обледенение еще не было бы надежно распознано. В принципе распознавание осаждения льда осуществляется посредством контроля рабочих характеристик ветроэнергетической установки и, тем самым, может ограничиваться рабочим диапазоном ветроэнергетической установки с выработкой мощности. Если ветроэнергетическая установка не вырабатывает мощность, то также невозможна и подстройка к рабочим характеристикам или параметрической поверхности. Таким образом, распознавание осаждения льда при определенных условиях может функционировать лишь ограниченно. Эти ограниченные условия здесь рассматриваются совместно. К ним относятся:

- Слабый ветер: Здесь распознавание льда при эксплуатации во время очень низких скоростей ветра, в частности, ниже примерно от 3 до 4 м/с, невозможно посредством контроля рабочих характеристик.

- Сильный ветер: При эксплуатации во время высоких скоростей ветра выше примерно от 20 до 25 м/с чувствительность прежнего способа распознавания снижается и/или часто не может верифицироваться посредством имеющегося производственного опыта.

- Остановка установки в случае работоспособной установки.

- Сетевой отказ.

Таким образом, прежний диапазон распознавания для распознавания осаждения льда, который может обозначаться как надежный диапазон распознавания, с учетом запаса по надежности ограничен скоростями ветра между примерно 4 м/с и 20 м/с.

Продолжительность прерывания при низких температурах, а именно температурах окружающей среды ниже +2°С, повышает подозрение на обледенение. При температурах выше +2°С, напротив, подозрение на обледенение вновь снижается. Также при работе ветроэнергетической установки в надежном диапазоне распознавания для распознавания осаждения льда подозрение на обледенение снижается.

В случае предложенного способа речь идет, в частности, о способе, который в меньшей степени предлагает надежное распознавание льда, а в большей степени учитывает возможность возникновения льда.

Предпочтительным образом для эксплуатации при скоростях ветра ниже 4 м/с исходят из того, что только в течение 10 ч могла бы образоваться критическая толщина льда. Соответственно в нижеследующей таблице 1 это учитывается как режим I.

Для эксплуатации при слабом ветре, ввиду высоких скоростей набегающего потока на роторной лопасти, исходят из того, что уже в течение 2 ч мог бы образоваться критический слой льда. Эти взаимосвязи соответственно учитываются в последующей таблице как режим II.

При автоматической остановке установки, как это осуществляется, например, на основе отключения отбрасывания тени или слабого ветра, или при ручной остановке установки, как, например, в целях технического обслуживания, исходят из того, что в течение 10 ч могла бы образоваться критическая толщина слоя льда. Соответственно и это учитывается согласно последующей таблице как режим I.

При сетевом отказе система управления установкой зачастую не может определить данные ветра и температуры. Однако имеются последние данные перед сетевым отказом и данные при восстановлении сети. Имеющиеся состояния счетчика распознавания осаждения льда, в частности значение индикатора подозрения на лед, также остаются сохраненными. Значения времени при сетевом отказе учитываются в зависимости от его длительности следующим образом.

Времена сетевого отказа до 2 ч учитываются при среднем значении из температуры в начале сетевого отказа и температуры при восстановлении сети соответственно режиму I, как описано в приведенной ниже таблице. Таким образом, с этим средним значением температуры, которое также обозначается как температура определения, индикатор подозрения на лед выполняет отсчет в сторону увеличения или повышается, если это среднее значение температуры лежит ниже предельной температуры. Если оно лежит выше этой предельной температуры, то индикатор подозрения на лед соответственно снижается. Это осуществляется соответственно для длительности времени сетевого отказа в качестве основополагающего времени.

Времена сетевого отказа между 2 и 10 ч учитываются для перекрытия промежуточных снижений температуры со средним значением из температуры в начале сетевого отказа и температуры при восстановлении сети, за вычетом 2 К соответственно режиму I, описанному ниже в последующей таблице.

При временах сетевого отказа свыше 10 ч исходят из того, что надежный вывод за прошедший промежуток времени невозможен. Поэтому с учетом запаса надежности при всех температурах ниже +5°С при восстановлении сети исходят из подозрения на обледенение. Тем самым ветроэнергетическая установка остается сначала остановленной, пока обледенение не сможет быть исключено.

Реализация для описанного режима I и описанного режима II осуществляется посредством счетчика, который также может обозначаться как индикатор подозрения на лед или счетчик подозрения и который при подозрении на обледенение считает в направлении увеличения, а при отсутствии подозрения на обледенение снова считает в направлении уменьшения. При этом соответственно в ситуации подозрения времена различаются между режимом I и режимом II.

При 30-минутной эксплуатации без распознавания льда в надежном диапазоне распознавания для распознавания осаждения льда, то есть при распознавании с применением способа кривых мощности, при котором измеренная кривая мощности сравнивается с ожидаемой, подозрение на обледенение снижается. Таким образом, если имеет место надежное распознавание, то 30 мин достаточно, независимо от применяемого режима.

Согласно одной форме выполнения, при внешних температурах выше +2°С превышающая +2°С разность текущей внешней температуры по времени суммируется или интегрируется. Тогда повторный запуск осуществляется только по истечении интервала по времени разностной температуры. Так, например, повторный запуск осуществляется при 360°С минимум. Это может, например, означать, что повторный запуск осуществляется спустя 6 ч при температуре окружающей среды +3°С или по истечении 2 ч при температуре окружающей среды +5°С. В режиме II повторный запуск осуществляется для этого случая уже спустя 120°С минимум.

Указанные в приведенной выше таблице времена соответствуют таковым для полного увеличения подозрения или уменьшения подозрения. Промежуточные стадии оцениваются соответственно пропорционально.

При переходе от работы ветроэнергетической установки с вращающимся ротором в состояние покоя и наоборот, состояния счетчика для распознавания осаждения льда и для подозрения на обледенение соответственно передаются или сохраняются. Тем самым должно гарантироваться, что ветроэнергетические установки и при более длительном пребывании вне принимаемого в качестве надежного диапазона распознавания обычного распознавания осаждения льда могут останавливаться из-за ненадежного состояния обледенения с подозрением на обледенение, или автоматический новый запуск может предотвращаться. Под такое более длительное пребывание подпадает, например, пребывание длительностью 10 ч или более при преобладающих условиях ветра ниже 4 м/с или продолжительность пребывания 2 ч или более при преобладающих скоростях ветра выше 20 м/с.

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации ветроэнергетической установки в условиях обледенения, к ветроэнергетической установке и к ветроэнергоцентру с множеством ветроэнергетических установок. Способ эксплуатации ветроэнергетической установки (1) с гондолой (2) с электрическим генератором и связанным с генератором аэродинамическим ротором (3) с одной или несколькими роторными лопастями (4) включает этапы эксплуатации ветроэнергетической установки (1), если осаждение льда на роторных лопастях (4) может быть надежным образом исключено, и остановки ветроэнергетической установки (1), если на роторных лопастях (4) распознано осаждение льда, и остановки или предотвращения повторного запуска с задержкой по времени ветроэнергетической установки (1), если осаждение льда не распознано, но его следует ожидать, и/или разрешения повторного запуска с задержкой по времени ветроэнергетической установки (1), если условие остановки, которое привело к остановке ветроэнергетической установки (1), вновь устранено, и осаждение льда не было распознано, и осаждения льда или образования осаждения льда не следует ожидать. Изобретение направлено на улучшение распознавания осаждения льда на роторных лопастях ветроэнергоустановок. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула