风力发电设备及其设计和操作方法以及风力发电场与流程

1.本公开涉及用于设计和操作用于从风产生电力的风力发电设备的方法，其中，风力发电设备具有空气动力转子，空气动力转子具有叶片角度可以被调节的转子叶片，其中，转子叶片在转子叶片根部与转子叶片梢部之间被多个涡流发生器占据。此外，本公开涉及风力发电设备的转子叶片、涉及风力发电设备并且涉及风力发电场。


背景技术：

2.为了影响转子叶片的空气动力特性，已知在转子叶片的横截面轮廓上设置涡流发生器，涡流发生器包括相对于表面以垂直的方式运行的多个涡旋元件。涡流发生器用于在转子叶片的表面上方产生局部区域的湍流气流，以实现流分离的阻力的增加。为此，涡流发生器使靠近转子叶片的表面的流涡旋，其结果是大大增加了靠近表面的流动层与远离表面的流动层之间的动量交换并且增加了靠近表面的边界层中的流动速度。
3.在成本优化制造的背景下，转子叶片通常以标准化的方式配装有涡流发生器，也就是说，对每个位置而言，涡流发生器以相同的方式占据转子叶片。
4.风力发电设备根据其位置会经受各种环境条件的影响；特别地，风力发电设备在昼夜变化和季节变化期间所暴露于的风场的特征可能会有很大的不同。风场的特征在于大量的参数。最重要的风场参数是平均风速、湍流、竖向切变和水平切变、风向在高度上的变化、斜的入射流和空气密度。
5.风力发电设备也可能根据其位置而经受不同的一般条件的影响。例如，这些一般条件可以是诸如相对于环境噪声而言的允许噪声级距离或由风力发电设备在操作期间在距风力发电设备的特定距离处产生的且不得被超过的声功率级的规定。例如，在法国，在风力发电设备的部分负载操作期间相对于环境噪声的声功率级要求为5分贝至6分贝。
6.为了降低声功率级，与功率优化操作模式相比，在降噪操作模式下，风力发电设备通常以降低的额定转子速度操作，即以降低的部分负载速度和降低的额定负载速度进行操作。为了避免流分离——流分离将以其他方式引起大的功率损耗——的威胁、特别是转子叶片的中央区域的流分离的威胁，叶片桨距角从限定的功率开始增加，叶片桨距角通常也被称为桨距角。
7.de102018127804a1涉及一种用于控制风力涡轮机的方法。该方法包括借助于附接至转子叶片的至少一个压力传感器来测量噪声排放；基于噪声排放来识别用于至少一个流分离的特征性的空气声学的声音；以及基于对流分离的特征性的空气声学的声音的识别而以开环或闭环方式来控制风力涡轮机的一个或更多个部件。
8.de102015008813a1涉及一种用于对具有至少一个转子叶片和至少一个涡流发生器的风力发电装置进行操作的方法，所述至少一个转子叶片安装在转子上，所述至少一个涡流发生器布置在转子叶片外蒙皮上并且在操作期间发生移位。
9.de102013202881a1涉及一种用于计算为风力发电设备的空气动力转子的转子叶片而产生的后缘的方法，其中，转子叶片相对于转子具有径向位置，转子叶片具有局部叶片
轮廓，该局部叶片轮廓是相对于转子的径向位置的函数，并且后缘包括具有多个尖峰的锯齿状轮廓，其中，每个尖峰具有尖峰高度和尖峰宽度，并且尖峰高度和/或尖峰宽度作为其径向位置的函数和/或作为其径向位置的局部叶片轮廓的函数而被计算。
10.us2017/0314530a1涉及一种包括转子叶片的风力涡轮机叶片组件，该转子叶片具有限定压力侧、吸力侧、前缘和后缘的外表面，外表面各自在叶片梢部与叶片根部之间延伸。转子叶片还限定了跨度和弦。该叶片组件还包括定位在转子叶片的压力侧的表面上的多个微边界层激励器。所述多个微边界层激励器在转子叶片的中性平面的上方或下方中的一者延伸。微边界层激励器以弦向的方式定形状且定位成以较小的迎角延迟边界层的分离。还公开了一种包括叶片组件的风力涡轮机。
11.us2014/0093382a1涉及一种风力涡轮机转子叶片，该风力涡轮机转子叶片包括根部部分、翼型部分、加厚区，该加厚区从叶片的内毂端部向外延伸到叶片的翼型部分中；以及气流校正装置，该气流校正装置在加厚区的至少一部分上布置于叶片的压力侧。气流校正装置包括扰流板和涡流发生器，扰流板用于增加叶片升力，涡流发生器布置在前缘与后缘之间并实现将附着的气流保持在涡流发生器与扰流板之间。公开了一种具有至少一个这样的转子叶片的风力涡轮机。还公开了一种气流校正装置，该气流校正装置用于对用于叶片的具有加厚区的区域的、在风力涡轮机转子叶片的压力侧的气流进行校正。
12.us2012/0189444a1涉及一种包括一个或更多个湍流产生条带的风力涡轮机叶片，其中，条带被置于叶片的表面。叶片的特征在于，湍流产生条带和叶片的表面的至少一个接合区域通过密封装置被完全或部分地覆盖。本发明还涉及一种变桨距控制的风力涡轮机，该变桨距控制的风力涡轮机包括至少两个变桨距控制的风力涡轮机叶片和用于使叶片变桨距的变桨距控制装置。变桨距控制风力涡轮机的特征在于，叶片包括一个或更多个湍流产生条带，其中，湍流产生条带和叶片的表面的至少一个接合区域通过密封装置被完全或部分地覆盖。


技术实现要素：

13.在此背景下，本公开的目的是开发一种用于设计和操作风力发电设备的方法，该方法的特征在于风力发电设备的更有效的操作，而且本公开的目的是指定了允许更有效的操作的转子叶片、风力发电设备和风力发电场。
14.根据一个方面，本公开所基于的目的是通过一种用于设计和操作具有根据本发明的第一方面的特征的风力发电设备的方法来实现的。本发明的一个方面提出了一种用于设计和操作用于从风产生电力的风力发电设备的方法，其中，风力发电设备具有空气动力转子，空气动力转子具有叶片桨距角度可以被调节的转子叶片，其中，转子叶片在纵向方向上、在转子叶片根部与转子叶片梢部之间于半径位置处被多个涡流发生器占据。改善风力发电设备的操作效率的目的通过以下方式实现：根据风力发电设备的位置处的待设定的声功率级来确定涡流发生器在相应的转子叶片的纵向方向上占据到的半径位置。
15.待设定的声功率级被选定成使得风力发电设备满足风力发电设备的位置处的声功率级要求。为了防止流分离，在风力发电设备的操作期间，对转子叶片占据到在相应的转子叶片的纵向方向上在外部定位得更远的半径位置允许提供较小的叶片桨距角。因此，风力发电设备可以在降噪操作模式下以与功率优化操作模式相比而言降低的额定转子速度
以及以较高功率系数操作。这使得能够增加风力发电设备的年发电量。年发电量的增量可以在百分之几的范围内、例如2％到4％。
16.根据本公开，因此，提出了在具有相对较低的允许的声功率级的位置处在相应的转子叶片上提供涡流发生器的调节占据，以防止由于与先前的涡流发生器独立于位置对转子叶片的占据相比在降噪操作模式下的相对较低的额定转子速度所引起的流分离的出现。涡流发生器可以增大失速发生时的最大迎角。涡流发生器基于位置对转子叶片的占据、即以非标准化的方式进行的占据可以使产量增加，这总体上可能会大大地补偿在独立于位置的占据的情况下在生产方面所节省的费用。
17.风力发电设备以相对较低的额定转子速度进行操作导致风力发电设备的相对较低的声功率级。然而，相对较低的额定转子速度也导致了沿转子叶片的局部迎角的增大。为了限制迎角且避免转子叶片上的流分离，使叶片桨距角被调节。对叶片桨距角进行调节、特别是设定相对较大的叶片桨距角会导致显著的生产损失。在转子叶片的具有涡流发生器的区域与转子叶片的没有涡流发生器的区域之间的过渡部处的迎角对于设定叶片桨距角通常是至关重要的。在许多情况下，流分离的风险在面对毂的区域中比在外部叶片大，并且外部叶片中存在生产潜力。在对叶片桨距角管理进行调节、特别是减少叶片桨距角的同时将涡流发生器的占据延伸到叶片梢部可以提高年发电量(aep)。
18.在该方法中，优选地，风力发电设备操作所利用的转子叶片的叶片桨距角另外优选地根据风力发电设备的位置处待设定的声功率级来确定。该方法可以提供的是，风力发电设备操作所利用的转子叶片的叶片桨距角以及涡流发生器在相应的转子叶片的纵向方向上所占据到的半径位置是根据风力发电设备的位置处的待设定的声功率级来确定。这可以使转子叶片的占据和叶片桨距角的设定彼此匹配，以便在符合声功率级要求的同时增加年发电量。
19.在降噪操作模式下，风力发电设备可以根据风力发电设备的位置处的待设定的声功率级以与功率优化操作模式相比而言降低的额定转子速度操作。这可以在符合声功率级要求的同时增加年发电量。
20.减小叶片的桨距角又可以导致增加的声功率级。额定转子速度可以被降低成使得在考虑减小的叶片桨距角和涡流发生器对转子叶片的占据的情况下实现待设定的声功率级。在待设定的声功率级的边界条件下，叶片桨距角和速度的最佳组合可以在这里迭代地实现，或者可以通过优化的方法实现并且可以达到平稳状态。
21.该方法还可以例如确定的是，对于达到预定的待设定的声功率级的特定转子叶片而言，没有涡流发生器是有利的，并且仅当待设定的声功率级降到预定的声功率级以下时才引入涡流发生器的占据。
22.涡流发生器的占据可以紧在转子叶片根部处开始，或者于在纵向方向上距转子叶片根部一距离的位置处开始。对于本公开的成功至关重要的是，占据终止于根据本公开确定的依赖于待设定的声功率级的半径位置。涡流发生器的连续或恒定占据也不必须被执行，也就是说占据的中断也是可以的。
23.在用于影响流动的呈涡流发生器的形式的无源元件的情况下，“占据”应被理解为特别是指将这种元件配装至转子叶片或配装在转子叶片上。在用于影响流动的有源元件的情况下，“占据”可以被理解为特别是指这样的元件的启用或停用，但是也意味着将所述元
件配装至转子叶片或配装在转子叶片上。用于影响流动的有源元件包括用于吸入和/或吹出空气的槽或开口、可控制的挡板等。例如，呈等离子体发生器的形式的涡流发生器也可以被用于产生湍流。
24.特别优选地，用于影响流动的有源元件和无源元件的组合可以被用作涡流发生器。因此，在这种情况下，在靠近转子叶片根部的内部区域中例如可以使用无源涡流发生器，而在位于更外部的区域中可以使用有源涡流发生器。因此，转子叶片被涡流发生器占据到的半径位置也可以在正在进行的操作期间通过控制用于影响流动的有源元件来改变，并且可以特别地与环境条件、例如空气密度或修改的一般条件、特别是修改的声功率级要求相匹配。同时，由于有源涡流发生器所占比例相对较小，因此与专用有源涡流发生器相比，设计复杂度较低。
25.空气密度不是恒定的而是随着时间的推移而变化。因此，平均值、例如空气密度的年平均值或其他最小年空气密度优选地被用作空气密度的值。作为替代方案或另外地，可以包括位置的地理高度，这对空气密度有影响，这是众所周知的。然后，空气密度优选地根据地理高度以及例如位置的平均温度来计算。
26.对不得被超过的待设定的声功率级进行确定的声功率级要求也可能在位置处随着时间的推移而发生变化。例如，不同的声功率级要求可能适用于不同的时间，例如在夜间和白天或在特定的休息时间。
27.半径位置将转子叶片上的沿转子叶片纵向轴线的位置表示为相应的位置相对于转子的外半径的半径，或者半径位置表示转子叶片长度。半径和转子叶片长度之外的两个参考变量相差转子叶片毂直径的一半，可能需要将其减去。
28.因此，转子叶片上的作为半径位置的相关位置可以由从0(零)至1(一)的范围内的值指示。使用半径来描述沿着转子叶片的位置的原因是，转子叶片旨在被安装在风力发电设备的转子上，以满足其预期用途。因此，转子叶片总是永久地与转子相关联，并且因此半径被用作参考变量。半径位置优选地在转子的中心点处、也就是在转子旋转轴线上具有值0(零)。半径位置优选地在叶片梢部处具有值1(一)，叶片梢部表征转子的最外部的点。
29.可以优选地根据待设定的声功率级来确定涡流发生器所终止于的半径位置和风力发电设备操作所利用的转子叶片的叶片桨距角，使得防止由于降低的额定转子速度而导致的预期的流分离，并且使预期的功率损耗最小化。这使得可以确保在转子叶片上不发生流分离。因此，可以使功率损耗最小化。由于涡流发生器的布置的位置特定的设计——该设计取决于待设定的声功率级，流分离的发生可以被切换至显著减小的叶片桨距角。这使得可以以最佳迎角范围操作转子叶片。
30.涡流发生器的占据可以在相应的转子叶片的纵向方向上进行到半径位置，该半径位置是根据降低的额定转子速度来确定的。
31.在优选的改进方案中，确定涡流发生器沿相应的转子叶片的纵向方向占据到的半径位置是根据待设定的声功率级来执行，使得叶片桨距角的增大得到补偿，这样的增大在相对较低的待设定的声功率级的情况下是必需的并且是由额定转子速度的必要降低引起的。因此，可以减小或者甚至完全避免叶片桨距角或桨距角的增大。
32.确定涡流发生器所终止于的半径位置和风力发电设备进行操作所利用的转子叶片的叶片桨距角可以根据待设定的声功率级来执行，使得在包含功率优化操作模式和降噪
操作模式的操作时间段的混合操作期间，功率优化操作模式下的生产损失至少通过在降噪操作模式下在特定时间段中的生产收益被补偿。
33.在功率优化操作模式下，涡流发生器至相对较大的半径位置的占据可能导致生产损失。这些生产损失可以通过在降噪操作模式下的生产收益被补偿或过度补偿，使得在混合操作期间，可以在整个特定时间段内获得更大的产量、例如更大的年发电量。因此，该方法还可以提供的是，在功率优化操作模式下的生产损失可以通过在特定时间段、例如一年中在降噪操作模式下的生产收益被过度补偿，使得例如通过对涡流发生器的占据和转子叶片的叶片桨距角进行调节比没有进行这样的调节获得了更大的年发电量。与增加降噪操作模式的年发电量相比，通过对转子叶片占据至在相应的转子叶片的纵向方向上更外部的半径位置而得到的功率优化操作模式的年发电量的减少通常是较低的，并且因此，功率优化操作模式下的生产损失可以总体上通过降噪操作模式下的生产增益被补偿或过度补偿。
34.则该方法可以在于白天和夜间或于特定休息时间期间在风力发电设备的位置处应用不同的声功率级要求的情况下提供例如混合操作。例如，风力发电设备在应用不太严格的声功率级要求的白天可以在功率优化操作模式下操作，而在应用更严格的声功率级要求的夜间在降噪操作模式下操作。
35.在功率优化操作模式下，风力发电设备以功率优化的额定转子速度操作，以产生功率优化额定功率。在降噪操作模式下，风力发电设备以与功率优化操作模式相比而言降低的额定转子速度操作，以满足声功率级要求。降噪操作模式产生与功率优化额定功率相比而言减少的额定功率。除其他外，风力发电设备的年发电量取决于风力发电设备在功率优化操作模式下进行操作的时间段和风力发电设备在降噪操作模式下进行操作的时间段。在混合操作期间，除降噪操作模式外，风力发电设备还可以在其他部分负载操作模式下操作。
36.在不同的位置处存在不同的声功率级要求，例如，可以存在声功率级要求以便在部分负载范围内或在达到额定功率之前不久就已经必须遵守降低的声功率级。因此，然后必须选定待设定的声功率级以满足声功率级要求。
37.优选地，叶片桨距角的设定可以根据为涡流发生器的占据所确定的半径位置来执行。因此，可以确保最佳设计。
38.该方法可以提供的是，在风力发电设备发出低于或等于待设定的声功率级的声功率级的边界条件下，可以根据额定转子速度、转子叶片的叶片桨距角和涡流发生器在相应的转子叶片的纵向方向上占据到的半径位置来迭代地优化参数，直到满足边界条件为止。该参数可以是例如由风力发电设备在特定时间段内产生的发电量，例如风力发电设备的年发电量。边界条件可以是例如达到最大迭代步骤数或收敛条件。收敛条件可以是例如在两个连续迭代步骤中建立的年发电量之间的差小于预定的极限值。这可以使额定转子速度、转子叶片的叶片桨距角和涡流发生器在相应的转子叶片的纵向方向上占据到半径位置彼此匹配，使得在考虑声功率级要求的情况下实现最大的年发电量。
39.优选地，可以考虑特定的操作管理、特别是风力发电设备在一个位置处进行操作所利用的特定额定功率来进行涡流发生器对转子叶片的占据。在操作管理方面，可以设想为风力设备类型提供基于位置和声功率级的额定功率。为此，可以通过对额定转子速度进行调节来实现对额定功率进行调节。风力发电设备以相应额定转子速度和额定功率就进行
操作可以依赖于变化的一般条件。
40.例如，风力发电设备可以在降噪操作模式下以降低的额定转子速度进行操作，以符合声功率级要求。如果声功率级要求不限制风力发电设备的额定转子速度，则风力发电设备可以在功率优化操作期间以相对较高的额定转子速度进行操作。相对较高的额定转子速度、特别是取决于额定转子速度和额定功率的比率，会导致在额定功率范围内相对较高的叶尖速度比且因此导致减小的迎角，并且因此降低流分离的风险。反过来，这会使得涡流发生器在径向方向上的占据的减少，并且这可能使得噪音更小或声功率级更低以及使得功率增加。
41.叶尖速度比被定义为当在相应操作模式下达到额定功率时，转子叶片梢部在额定转子速度下的速度与额定风速的比。因此，叶尖速度比取决于额定转子速度和额定功率的比。通过改变额定转子速度和/或额定功率的可以相应地产生相对较高或相对较低的叶尖速度比。可能有利的是在径向方向上用涡流发生器以不同的程度占据具有以不同额定功率进行操作的设备类型的风力发电设备。具体地，在混合操作期间，涡流发生器的占据可以取决于在风力发电设备的生产时间段中功率优化操作模式和降噪操作模式的相应的比例有多高。
42.根据优选的改进方案，可以存储多条叶片设定特征曲线，并且可以根据为涡流发生器的占据所确定的半径位置从所存储的叶片设定特征曲线中选定一条叶片设定特征曲线，并且这一条叶片设定特征曲线可以被用于设定叶片桨距角。
43.风力发电设备可以根据位置以额定转子速度操作。对相应的转子叶片在相应转子叶片的纵向方向上被涡流发生器占据的半径位置的确定可以根据额定转子速度来确定。
44.涡流发生器在相应的转子叶片的纵向方向上占据到的半径位置是根据风力发电设备的位置处的降噪操作模式的比例来确定的。
45.风力发电设备通常不旨在在全年以降噪操作模式进行操作，而是例如，仅针对特定的比例进行操作，该比例可以在0％与100％之间波动并且对于位置可以很容易地确定。根据风力发电设备旨在以降噪操作模式进行操作的比例，会产生涡流发生器的不同的最佳占据。因此，即使在降噪操作的情况下，也可以使年发电量(aep)最大化。
46.这里，还可以将不同的降噪操作模式进行组合，比如严格地限制和不太严格地限制，例如限制为98分贝和100分贝。可以将对降噪操作模式的不同程度的限制结合到确定具有不同重要程度的降噪操作模式的比例中，其中，不太严格的限制具有较小的权重。
47.风力发电设备的操作管理、特别是设定叶片桨距角优选地是根据在风力发电设备的位置处的降噪操作模式的比例来另外地确定的。
48.已经发现，转子叶片的最佳占据以及相关联的优化操作管理都可以根据降噪操作模式的比例来优化年发电量。
49.根据第二方面，本发明还涉及一种具有吸力侧和压力侧的转子叶片，其中，在转子叶片根部与转子叶片梢部之间在吸力侧上至少布置有多个涡流发生器，其中，将涡流发生器在相应的转子叶片的纵向方向上布置到半径位置是根据位置特定的待设定的声功率级来执行的。涡流发生器根据位置特定的声功率级对相应的转子叶片的占据使得能够以满足位置特定的声功率级要求的声功率级来操作具有转子叶片的风力发电设备。风力发电设备还可以以防止流分离的较小的叶片桨距角进行操作。这可以产生更大的产量。
50.在这种情况下，对将涡流发生器从转子叶片根部开始沿转子叶片梢部的方向布置到转子叶片的半径位置的执行使得在具有相比于功率优化操作而言降低的额定转子速度的降噪操作期间，通过将转子叶片的叶片桨距角设定成与涡流发生器的布置相匹配，防止了由于降低的额定转子速度而导致的预期的流分离并且使预期的功率损耗最小化。
51.因此，可能有利的是规定在径向方向上也用涡流发生器以不同的程度占据一种设备类型的风力发电设备的转子叶片，该一种设备类型必须满足不同声功率级要求。
52.本公开对于示出了被称为细长叶片的特定几何形状的转子叶片特别有利。近些年来，细长叶片的发展趋势是在大幅度增加转子直径的同时减小轮廓深度。在本公开的上下文中，当与jonkman,j.等人的2009年的报告nrel/tp
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500
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38060“definition of a 5
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mw reference wind turbine for offshore system development(用于海上系统开发的5兆瓦参考风力涡轮机的定义)”中所公开的陆上或海上版本的参考涡轮机相比时，细长叶片被称为具有更高的设计升力系数或更高的设计叶尖速度比tsr的任何叶片。因此，通过提高设计叶尖速度比和/或提高设计升力系数有利于细长叶片的空气动力特性。
53.已知的是，这种细长的叶片受涡流发生器的设置和布局的影响很大。
54.特别优选的是具有在转子叶片梢部附近经历低的空气动力负载的转子叶片几何形状。低的空气动力负载特别被理解为包括关于理论上最大空气动力负载的预定负载储备差，例如20％或30％或任何其他合适的值。因此，通过使用根据本公开的涡流发生器的布置和占据，可以使用可用的空气动力储备来增加能量输出。
55.优选地，转子叶片梢部附近的区域被称为叶片长度的最外面的20％，同时也可以考虑叶片梢部区域的其他定义。
56.优选的是叶片梢部附近的轴向诱导因子分布呈现出与betz极限足够的距离、特别是足够地小于betz极限。在本公开的上下文中，优选地的是，如果诱导因子低于0.3、优选地地低于0.2且更优选地在0.1至0.15的范围内，则距betz极限的足够的距离被应用，同时其他边界也是可行的。
57.在优选的实施方式中，随着径向位置的增加，转子叶片呈现下降的空气动力负载。已经证明，这种转子叶片与本公开一起使用时特别有效。
58.在第三方面，本公开还涉及一种风力发电设备，该风力发电设备包括空气动力转子和控制系统，该空气动力转子具有叶片桨距角可以被调节的转子叶片，其中，转子可以以可设定的额定转子速度操作，其特征在于，控制系统被设计成按照根据第一方面或其改进方案的方法来操作风力发电设备。
59.转子可以优选地具有根据第二方面的至少一个转子叶片。
60.在第四方面，本公开还涉及具有根据第三方面的多个风力发电设备的风力发电场。
附图说明
61.下面将根据参照附图的一个可能的示例性实施方式更详细地描述本公开，在附图中：
62.图1示出了根据本公开的风力发电设备；
63.图2示出了单个转子叶片的示意图；
64.图3通过示例的方式示出了对于两个不同操作情形而言的用于转子叶片的迎角储备关于标准转子半径的不同曲线；
65.图4示出了用于风力发电设备的不同操作情形的升阻比的示例性曲线；
66.图5示出了用于不同操作情形的示例性功率曲线；
67.图6通过示例的方式示出了用于两种不同操作情形的两条叶片桨距角特征曲线；
68.图7示出了取决于不同的平均风速的示例性年发电量；
69.图8示出了两种不同操作情形的转子特征图，其中，转子特征图表示取决于叶片桨距角和叶尖速度比的功率系数；以及
70.图9通过示例的方式示出了取决于用于不同操作情形的功率优化操作模式和降噪操作模式的比例的年发电量的差。
具体实施方式
71.根据参照附图的示例对本公开的说明基本上是以图解方式进行的，并且在相应的附图中解释的元件可以在其中被夸大以改进图示，并且可以简化其他元件。因此，例如，图1以图解的方式示出了风力发电设备本身，其结果是不能清楚地看到所设置的涡流发生器的布置。
72.图1示出了具有塔架102和吊舱104的风力发电设备100。吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和旋转器的转子106。在操作期间，转子106被设定成借助于风力处于旋转运动，从而驱动吊舱104中的发电机。转子叶片108的叶片角度可以被设定。转子叶片108的叶片桨距角γ可以通过布置在相应的转子叶片108的转子叶片根部114(参见图2)处的变桨距马达来改变。转子106以可以根据操作模式被设定的额定转子速度n来操作。
73.在该示例性实施方式中，风力发电设备100由控制系统200控制，该控制系统200是风力发电设备100的全面控制系统的一部分。控制系统200通常被实现为风力发电设备100的控制系统的一部分。
74.风力发电设备100可以借助于控制系统200在功率优化操作模式或降噪操作模式下进行操作。在功率优化操作模式下，风力发电设备100产生可以利用风力发电设备100产生的最佳功率。在降噪操作模式下，风力发电设备100以与功率优化操作模式相比而言降低的额定转子速度操作，以便设定小于或等于由声功率级要求预先指定的声功率级的声功率级。
75.多个这样的风力发电设备100可以形成风力发电场的一部分。风力发电设备100在这种情况下根据它们的位置经受各种环境和一般条件的影响。具体地，风力发电设备的声功率级要求可以根据其位置而不同。此外，风力发电设备在昼夜变化和季节变化期间所暴露于的风场特征可能会有很大的不同。风场的特征在于大量的参数。最重要的风场参数是平均风速、湍流、竖向切变和水平切变、风向在高度上的变化、斜的入射流和空气密度。
76.考虑到待设定的声功率级，用于操作风力发电设备的一种措施设置成用于通过从某一功率开始增大叶片桨距角γ——叶片桨距角γ也被称为桨距角——来抵消转子叶片上的迎角的增大，以避免转子叶片108的中央区域中的将导致大的功率损耗的流分离的威胁，迎角的增大是由在降噪操作期间降低的额定转子速度引起的。叶片桨距角γ的升高在这种情况下导致了风力发电设备100的功率损耗，但是这些功率损耗通常被证明小于由于
在相应转子叶片108处发生的流分离而产生的功率损耗。
77.根据本公开，现在提出的是考虑涡流发生器118对转子叶片108上的占据的设计，该设计与待设定的具有相对较低的声功率级的位置相匹配，如通过示例的方式在图2中图示的。根据在风力发电设备100的位置处所确定的待设定的声功率级而配装在转子叶片108的中央部分中的延伸区域上的涡流发生器118防止了中央部分中的流分离，并且因此可以减小叶片桨距角γ的升高或设定较小的叶片桨距角，并且这可以使风力发电设备100的整体产量更大。
78.图2示出了具有转子叶片前缘110和转子叶片后缘112的单个转子叶片108的示意图。转子叶片108具有转子叶片根部114和转子叶片梢部116。转子叶片根部114与转子叶片梢部116之间的距离被称为转子叶片108的外半径r。转子叶片前缘110与转子叶片后缘112之间的距离被称为轮廓深度t。在转子叶片根部114处，或者通常在靠近转子叶片根部114的区域中，转子叶片108具有较大的轮廓深度t。相反，在转子叶片梢部116处，轮廓深度t要小得多。在该示例中，在叶片内部区域增加之后，轮廓深度t从转子叶片根部114开始显著减小，直到中间区域。可以在中间区域设置分离点(此处未示出)。从中间区域到转子叶片梢部116，轮廓深度t几乎是恒定的，或者轮廓深度t的减小显著减小。
79.图2中的图示示出了转子叶片108的吸力侧。涡流发生器118布置于吸力侧。可以设想将涡流发生器118作为用于影响流动的主动或被动元件的替代性的改进方案。虽然图示的示例中的涡流发生器118被示出为布置于转子叶片108的吸力侧，但是作为替代方案或另外地，根据本公开，可以使涡流发生器118占据在转子叶片108的压力侧。涡流发生器118的占据可以在转子叶片前缘110的区域中或者在转子叶片前缘110与转子叶片后缘112之间的另一位置处的其他区域中进行。涡流发生器118的占据的范围开始于转子叶片根部114的区域中，并沿着转子叶片梢部116的方向行进。
80.相对于转子106，涡流发生器118在径向方向上延伸到转子叶片上的位置p
a
或p
b
。在这种情况下，转子叶片108上的相应的位置p
a
或p
b
被指定为相对于标准化半径r/r的半径位置。基于标准化半径r/r的半径位置将转子叶片108上的沿着转子叶片的纵向轴线的位置表示为相应的位置p
a
、p
b
的相对于转子108的外半径r的半径r
a
、r
b
，或者表示转子叶片长度。因此，转子叶片108上作为半径位置r/r的相关位置p
a
或p
b
可以由从0(零)至1(一)的范围内的值指示。
81.为了增加使用转子叶片108的风力发电设备100的年发电量，涡流发生器118根据位置特定的待设定的声功率级在转子叶片108的纵向方向上布置到半径位置r/r。对将涡流发生器118从转子叶片根部114开始沿转子叶片梢部116的方向布置到转子叶片108的半径位置r/r的执行使得在具有相比于功率优化操作而言降低的额定转子速度的降噪操作模式下，通过将转子叶片108的叶片桨距角γ设定成与涡流发生器118的布置相匹配，防止了由于降低的额定转子速度而导致的预期的流分离并且使预期的功率损耗最小化。
82.图3示出了对于下表中所列出的两种示例性的不同操作情形(情况a和情况b)而言的转子叶片108上的迎角储备α
reserve
关于半径位置r/r的不同曲线302、303(情况b)和304、305(情况a)。操作情形的情况a和情况b在转子叶片108的被涡流发生器118占据到的半径位置r
a
、r
b
或者转子叶片108的被涡流发生器118占据的位置p
a
、p
b
以及被选定成用于进行操作的叶片桨距角特征曲线602(情况b)和604(情况a)(参见图6)方面彼此不同。
83.在图3的曲线图中，在转子叶片108的纵向方向上被涡流发生器118占据的端点借助于迎角储备的突然下降的方式被示出为是明显的。
84.迎角储备取决于风速；曲线302、304是针对为6m/s的示例性风速而示出的，而曲线303、305示出了存在最小迎角储备的风速的曲线。曲线303和305所基于的风速在实践中不必相同且很可能是不相同的，因为涡流发生器118的布置对迎角储备的风速依赖性有相当大的影响。
85.在情况a和情况b这两种情况下，风力发电设备100都经受相同的声功率级要求，因此，在情况b和情况a中，风力发电设备100的操作参数、特别是在降噪操作模式下的额定转子速度、转子叶片的叶片桨距角和转子叶片108的被涡流发生器118占据到的半径位置被选定成使得它们发出的待设定的声功率级等于或小于取决于声功率级要求的声功率级。
86.操作情形表：
87.情况b涡流发生器直至r
b
，叶片桨距角特征曲线p
b
情况a涡流发生器直至r
a
，叶片桨距角特征曲线p
a
88.在情况b下，涡流发生器布置到位置p
b
，并且风力发电设备利用叶片桨距角特征曲线602而进行操作。涡流发生器的占据和叶片桨距角γ的结合使得可以在转子叶片的整个长度上获得适当的迎角储备并且因此避免失速。
89.情况a描述了下述情况：根据该情况，由于涡流发生器所终止于的位置中、特别是位置p
a
处的改变，能够在不发生失速的情况下以优选的叶片桨距角特征曲线604进行更可靠的操作。叶片桨距角特征曲线604的叶片桨距角γ小于叶片桨距角特征曲线602的叶片桨距角γ(参见图6)。这使得可以产生更大的功率(参见图5)，并因此获得更大的总的年发电量(参见图7)。特别地，在情况a中可以比在情况b中以更高的功率系数来操作风力发电设备(参见图8)。
90.因此，为情况a提供了用于设计和操作用于从风产生电力的风力发电设备100的方法，该风力发电设备例如来自图1且具有转子叶片108，转子叶片108被如图2所示的涡流发生器118占据。根据风力发电设备100的位置处的待设定的声功率级来确定涡流发生器118在相应的转子叶片108的纵向方向上所占据到的半径位置r/r。此外，可以根据风力发电设备100的位置处的待设定的声功率级来确定风力发电设备100进行操作所利用的转子叶片108的叶片桨距角γ。在降噪操作模式下，风力发电设备100可以根据风力发电设备100的位置处的待设定的声功率级以与功率优化操作模式相比而言降低的额定转子速度操作。
91.还可以根据待设定的声功率级来确定涡流发生器118所终止于的半径位置r/r和风力发电设备100进行操作所利用的转子叶片108的叶片桨距角γ，使得防止了由于额定转子速度降低而导致的预期的流分离并且使预期的功率损耗最小化。
92.涡流发生器118的占据可以在相应的转子叶片108的纵向方向上被实现为直至半径位置r/r，该半径位置r/r根据降低的额定转子速度来确定。
93.涡流发生器118在相应的转子叶片108的纵向方向上所占据到的半径位置r/r的确定也可以根据待设定的声功率级来执行，使得叶片桨距角γ的增加最小化，这种增加在待设定的相对较低的声功率级的情况下是必需的并且由额定转子速度的必要降低引起。
94.此外，涡流发生器118所终止于的半径位置r/r和风力发电设备100进行操作所利用的转子叶片108的叶片桨距角γ的确定可以根据待设定的声功率级来执行，使得在包含
功率优化操作模式和降噪操作模式的操作时间段的混合操作期间，功率优化操作模式下的生产损失至少通过在降噪操作模式下在特定时间段中的生产收益来补偿。
95.对叶片桨距角γ的设定可以根据为涡流发生器118的占据所确定的半径位置r/r来进行。
96.可以考虑特定的操作管理、特别是风力发电设备100在一个位置处进行操作的特定额定功率来进行涡流发生器118对转子叶片108的占据。此处，在混合操作期间可以考虑额定功率，或者在降噪操作模式下可以考虑降低的额定功率。
97.例如，可以在控制系统200中存储多个叶片设定特征曲线。一条叶片设定特征曲线可以从取决于为涡流发生器118的占据所确定的半径位置r/r的已存储的叶片设定特征曲线中被选择，并且该一条叶片设定特征曲线可以被用于设定叶片桨距角γ。
98.图4图示了针对两种不同的操作情形的情况b和情况a的升阻比的示例性曲线402、403和404、405。曲线402、403是针对情况b建立的。曲线404、405是针对情况a建立的，其中，相应曲线基于不同的风速，就像图3一样。曲线402、404是针对为6m/s的示例性风速而示出的，而曲线403、405示出了存在最低迎角储备的风速的曲线。
99.对于情况b，在第一实例中可以看到，直至半径位置r/r<0.37，根据曲线402的升阻比很小，并且从该半径位置r/r开始以小的跳跃上升且在向外到转子叶片梢部116、直至更高的半径位置r/r>0.37的过程中增大。曲线402中升阻比的低值是由于涡流发生器118的占据而导致的，这通常导致了阻力系数的增大。
100.直至约为0.37的半径位置r/r时，情况a中的升阻比的曲线404与曲线402在本质上大致相似。然而，从约为0.39的半径位置r/r开始，曲线404的升阻比总是高于曲线402的升阻比。
101.为了避免转子叶片108上的流分离，增大了叶片桨距角γ。因此，例如，选定了作为涡流发生器的占据特征的叶片桨距角γ，即，叶片桨距角特征曲线602或604。叶片桨距角的增大导致转子叶片108上的迎角α在整个转子半径r上的减小，使得确保迎角α处于允许范围内并且不发生流分离。
102.此处，叶片桨距角优选地从转子平面外到假定垂直于转子平面的风向为从0
°
扩展到90
°
。因此，桨距角或叶片桨距角的增加导致转子叶片的轮廓弦朝向风向转动。因此，叶片桨距角的增加导致迎角的减小。
103.然而，该过程的缺点是，由于增加了转子叶片108的叶片桨距角γ，即所谓的变桨距，迎角α在转子叶片108的外部区域、即也在通常没有流分离风险的区域中也减小。因此，由于变桨距，迎角的减小可能直接导致风力发电设备100的功率损耗。
104.因此，提出的是在相应的转子叶片108的纵向方向上使涡流发生器118占据到半径位置r/r，该半径位置r/r是根据风力发电设备100的位置处的待设定的声功率级来确定的。因此，可以特别减少所描述的由变桨距所引起的风力发电设备100的功率损耗的缺点。具体地，在每种情况下，可以通过延伸涡流发生器118对转子叶片108的占据来设定较小的叶片桨距角。
105.如上面已经进一步讨论的，在风力发电设备100的操作期间，迎角的最大增加发生在转子叶片108的中央部分。在径向方向上与已经配装的涡流发生器118的位置p
b
相邻的半径位置上尤其如此。为了应对这种情况，在为具有较低声功率级的位置处的风力发电设备
100进行降噪操作的情况下，较低声功率级被设定成使涡流发生器118对转子叶片108的占据在径向上延伸至超过位置p
b
、直至位置p
a
。因此，抵消了转子叶片中央部分、特别是位置p
b
与位置p
a
之间的流分离的风险。
106.如进一步讨论的，涡流发生器118对转子叶片108的占据伴随着涡流发生器118的区域中的升阻比的降低。参照图4中的图示，针对情况a的操作情形解释了因涡流发生器118的占据而导致的升阻比的降低的问题。通过将涡流发生器118的占据延伸到半径位置、例如在r/r＝0.39的半径位置，相比于在操作情形情况b的情况下，在位置p
a
中，到该位置的升阻比保持处于更低的级。然而，通过适当的设计，在转子叶片108的外部区域中再次产生更大的功率，该外部区域即为具有半径位置r/r>0.39的位置，这与随后建立的产量增加相关。
107.在图5中通过示例的方式示出了由于转子叶片108的外部区域中的发电量的增加而导致的产量增加。图5通过示例的方式示出了用于操作情形的情况b和情况a的不同功率曲线502和504。在情况b中建立了功率曲线502，而在情况a中建立了功率曲线504。
108.根据功率曲线504和502，相比于在情况b下而言，在情况a下，对于风速v的部分负载范围内的特定范围而言可能实现更高的功率消耗。在情况a下的这种增加的功率消耗导致生产收益，通过这种生产收益可以补偿或过度补偿涡流发生器118在超过位置p
b
直到位置p
a
的附加占据的区域中的增加的消耗。
109.图6通过示例的方式示出了用于两种不同操作情形的两条叶片桨距角特征曲线602和604。叶片桨距角特征曲线602基于叶片桨距角γ的控制的情况b下的操作情形。叶片桨距角特征曲线604基于由控制系统200控制叶片桨距角γ的情况a下的操作情形。从曲线602和604可以看出，情况a的叶片桨距角γ总是小于情况b的叶片桨距角γ。具体地，最小叶片桨距角γ
amin
小于最小叶片桨距角γ
bmin
。
110.在该示例中，示例性的叶片桨距角特征曲线602、604被限定为以部段的方式限定的具有三个线性部段的特征曲线。直到第一功率阈值p
amin1
或p
bmin1
，叶片桨距角保持在为叶片桨距角特征曲线602、604找到的相应最小叶片桨距角γ
amin
或γ
bmin
。从该第一功率阈值p
amin1
或p
bmin1
开始，出现了与功率成线性关系的叶片桨距角增量δγ
amin1
或δγ
bmin1
，直到达到第二功率阈值p
amin2
或p
bmin2
为止。从该第二功率阈值p
amin2
或p
bmin2
开始，同样出现了与功率成线性关系的叶片桨距角增量δγ
amin2
或δγ
bmin2
，直到达到额定功率为止。叶片角度增量δγ
a、bmin2
可以大于、小于或等于叶片角度增量δγ
a、bmin1
。
111.已经发现，用于此目的的叶片桨距角特征曲线可以由最小叶片桨距角γ
min
、叶片桨距角开始增大时的功率阈值以及彼此相邻的具有恒定的叶片桨距角增量的两个线性区域来特别成功地限定。不言而喻，其他函数也可以用于叶片桨距角，例如，具有仅一个单个线性区域的叶片桨距角增量的相对简单的函数，或者例如不仅仅是功率的一阶线性函数的更复杂的函数。此处，所找到的方法在优化方法和在风力发电设备的控制系统中的实现的复杂性以及同时尽可能优化能量生产之间提供了一种折衷方案，即与理想叶片桨距角特征曲线的偏差尽可能小，这在实践中尤其适用。
112.另一方面考虑到，为一种风力发电设备类型的操作管理提供了与位置和操作模式相关的额定功率p
rated
。在这种情况下，可以通过调节额定转子速度来调节额定功率p
rated
。在功率相同的情况下，相对较高的额定转子速度导致了额定功率p
rated
范围内的相对较高的叶尖速度比，并且因此减小了迎角α。因此降低了流分离的风险。然而，相对较高的额定转子
速度导致相对较高的声功率级，使得当在位置处必须满足声功率级要求的情况下对额定转子速度进行调节时，必须以相应的方式调节额定转子速度。
113.图7示出了使用条形图702(情况b)和条形图704(情况a)图示的取决于不同的平均风速vd的年发电量aep。在情况a下，对于所有平均风速vd的年发电量aep总是高于在情况b中的年发电量。因此，当符合声功率级要求时，涡流发生器118对转子叶片108占据到位置p
a
以及根据叶片桨距角特征曲线604来设定叶片桨距角γ的组合使得可以比涡流发生器118对转子叶片108以不依赖于位置的方式占据到位置p
b
以及根据叶片桨距角特征曲线602来设定叶片桨距角γ的情况获得更高的年发电量。
114.图8示出了取决于叶片桨距角γ和叶尖速度比slz的功率系数的转子特征图802(情况b)和转子特征图804(情况a)。在情况a下，风力发电设备100可以以相对较高的功率系数cp操作。与b情况相比，可以实现高了δcp的功率系数。
115.图9通过示例的方式示出了风力发电设备混合操作期间的年发电量差δaep，年发电量差取决于用于不同操作情形的功率优化操作模式和降噪操作模式的比例abm。降噪操作模式的比例在0％与100％之间。
116.示出了曲线900作为参考，曲线900示出了具有已知涡流发生器的占据和已知操作管理的风力发电设备的年发电量。另外的曲线910、912、914、920、922、924示出了相对于曲线900的年发电量差δaep，其中，在图9中，位于曲线900上方的曲线表示产量增加，而位于曲线900下方的曲线表示产量减少。
117.曲线900、910和920表示涡流发生器对转子叶片的占据所终止于的半径位置r/r连续增加的情形，即，涡流发生器对转子叶片的占据所终止于的半径位置r/r相比于对于曲线910而言，对于曲线920而言是更大的，并且相比于对于曲线900，对于曲线910而言是更大的。除了涡流发生器的不同占据而言，曲线900、910、920所基于的风力发电设备没有区别，即风力发电设备的操作管理是相同的。可以看出，年发电量的下降与比例abm无关，也就是说，在操作管理被保持的情况下，转子叶片在转子叶片梢部的方向上的占据的延伸对aep有不利的影响。
118.在曲线912和922以及914和924中，与曲线910和920相比，操作管理已被调节，其中，涡流发生器的占据如在曲线910、920保持不变。曲线912和922以及914和924分别在叶片桨距角曲线方面不同，其示例如图6所示。
119.曲线912和922具有例如共同的第一功率阈值，从该第一功率阈值开始，以恒定的叶片桨距角速率执行变桨距。曲线914和924依次具有调节的操作管理，例如修改的、如更高的第一功率阈值和修改的叶片桨距角速率。曲线912和922以及曲线914和924分别所基于的操作管理系统之间的最小叶片桨距角也可以不同。
120.可以看出，对于大范围的降噪工作模式的比例abm，存在涡流发生器的占据以及操作管理的理想组合，如曲线914所示，在比例abm超过特定值，曲线914与曲线900相比提供了相当大的年发电量增量。然而，比较曲线924，涡流发生器的占据的进一步延伸将导致与曲线914相比的下降。因此，可以根据情形找到最佳的占据和操作管理。其结果是，在混合操作过程中，根据位置特定的声功率级本身来使涡流发生器对转子叶片占据到半径位置r/r以及调节叶片桨距角和额定转子速度使得能够实现产量收益。此处，混合操作期间的降噪操作模式的比例abm可能是至关重要的(参见交叉点915、913、925和923)。