CN102042163A - 具有异物检测装置的风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

风力涡轮机(100)包括风力涡轮机叶片(108)和设置在该风力涡轮机叶片(108)上用于检测异物在该风力涡轮机叶片(108)上的积累的异物检测装置(202)。当检测到异物积累的阈值水平时该检测装置(202)自动发送指示(608)。风电场控制系统可以显示在风电场系统中的所有风力涡轮机的颜色编码的现场图表，其具有每个涡轮机的异物积累的指示。

Description

具有异物检测装置的风力涡轮机叶片

技术领域

本公开大体上涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及在风力涡轮机的转子叶片的表面上的异物积累的检测。表述“异物”一般意在包括影响风力涡轮机或风电场的性能、效率或电力生产的任何类型的杂质。异物的示例可以包括但不限于可以粘住、堆积或积累在风力涡轮机转子叶片上的任何不期望的物质或材料，例如灰尘、污垢和虫子等。

背景技术

风力涡轮机作为环境安全并且相对廉价的备用能源日益受到重视。随着该增长的兴趣，已经做出相当大的努力以开发可靠并且高效的风力涡轮机。

一般，风力涡轮机包括由轮毂和安装在该轮毂上的多个叶片构成的转子。该转子通过变速箱耦合到发电机。该发电机安装在放置在圆筒式塔架的顶上的外壳或机舱内。公用电网级风力涡轮机(即设计成向公用电网提供电力的风力涡轮机)可以具有大转子(例如，直径为三十米或更大)。这样的转子的叶片将风能转变为驱动发电机的转矩或力。该转子由该塔架通过包括耦合于可旋转部分的固定部分的轴承支撑。该轴承经受包括转子的重量、由轴承悬臂支撑的转子的力矩载荷(moment load)、不对称载荷(例如水平和剪应力、偏航失准和自然湍流等)的多个载荷。

异物在风力涡轮机转子叶片的表面上的积累或堆积可不利地影响风力涡轮机的性能。一般，这反映在功率损失并且最终反映在年发电量(AEP)上。AEP将随异物在叶片表面上积累而减少。提出由于异物在风力涡轮机转子叶片上积累的影响，在年发电量上可以存在2-9％的降低。

从某点来看，当用户不能再负担由于异物积累引起的AEP的降低，叶片必须清洁。一般，风力涡轮机叶片以固定时间间隔清洁以抢占AEP的任何损失。该清洁要求或周期一般基于预测。然而，在某些情况下，风力涡轮机叶片可能由于几何和/或当地外部条件必须更频繁或更不频繁地清洁。例如，在炎热天气极端条件下运行的涡轮机比在较不严酷的环境中运行的涡轮机趋向更显著地受灰尘、污垢和其他异物影响。在其他情况下，一些涡轮机不需要以固定间隔清洁，从而导致不必要的由于风力涡轮机叶片清洁的高成本引起的花费。

由于在风电场中许多涡轮机，识别要清洁的特定涡轮机也可能是困难的。尽管可以做出某些预测，这并不一直产生准确的评估。例如，雨流量传感器已经用于确定涡轮机叶片清洁周期。在下雨期间，可以存在涡轮机叶片的自然清洁。雨流量传感器可以安装在遇雨的桅杆上以确定雨流量周期和条件。做出一般假设：如果没有降雨，并且风速小于6米每秒，存在异物堆积或积累在涡轮机叶片上的可能性。然而，这些预测不是一直准确的，并且可以导致过早清洁或由于异物堆积引起的AEP损失。

因此，提供解决上文识别的问题中的至少一些的系统将是可取的。

发明内容

如本文描述的，示范性实施例克服上文或在本领域中已知的其他不利中的一个或多个。

示范性实施例的一个方面涉及风力涡轮机，其包括风力涡轮机叶片和设置在该风力涡轮机叶片上的异物检测装置。该异物检测装置配置成检测异物在该风力涡轮机叶片上的积累。

示范性实施例的另一个方面涉及风电场系统。该风电场系统包括多个风力涡轮机。风力涡轮机中的每个包括当风流作用在风力涡轮机叶片上时可绕轴旋转的风力涡轮机叶片、设置在风力涡轮机叶片上的异物检测装置和配置成从该异物检测装置接收异物积累数据并且确定风力涡轮机叶片是否需要清洁的控制器。

示范性实施例的另外的方面涉及监测在风力涡轮机叶片的叶片表面上的异物积累的方法。该方法包括从设置在叶片表面上的异物检测装置接收在叶片表面上的异物积累水平的指示，并且确定指示的异物积累水平是否超过阈值水平。

示范性实施例的这些和其他方面与优势将从与附图结合考虑的下列详细说明变得明显。然而，要理解图仅设计用于图示的目的并且不作为本发明的限制的限定，本发明限制的限定应该参考附上的权利要求。此外，图不是必须按比例绘制，除非另外指出，它们仅意指在概念上图示本文描述的结构和规程。另外，可以使用任何适当的尺寸、形状或类型的元件或材料。

附图说明

在图中：

图1示出根据本公开的实施例的风力涡轮机的侧立视图；

图2示出根据本公开的实施例的风力涡轮机叶片的顶透视图；

图3是图2的风力涡轮机叶片的截面的透视图；

图4A和4B是根据本公开的实施例的示范性风力涡轮机叶片的示意图；

图5A-5C是根据本公开的实施例的示范性风力涡轮机控制系统的框图；

图6是根据本公开的实施例的处理的流程图；以及

图7是可以用于实践本公开的方面的设备的框图。

具体实施方式

图1图示包含公开的实施例的方面的示范性风力涡轮机100。公开的实施例的方面一般用于监测异物在风力涡轮机转子叶片上的积累或堆积。异物检测传感器(本文还称为“灰尘检测”传感器)可以监测在风力涡轮机叶片上的异物积累水平。该检测到的异物积累水平可以用于安排受影响的风力涡轮机的清洁或另外优化关联风力涡轮机的性能。能够在特定时间点识别实际需要清洁的风电场中的特定风力涡轮机或风力涡轮机的特定叶片可以帮助优化与叶片维修、清洁和维护关联的成本。该信息可以用于安排清洁以便优化关于涡轮机和/或叶片的数量的成本。该信息还可以存储并且将来用于提供更准确的预测。

风力涡轮机100包括机舱102和转子106。机舱102是安装在塔架104顶上的外壳，塔架仅一部分在图1中示出。该机舱102包括设置在其内的发电机(没有示出)。塔架104的高度基于本领域内已知的因素和条件选择，并且可达到高达60米或更高的高度。风力涡轮机100可安装在提供到达具有期望的风力条件的区域的任何地形上。该地形可变化巨大并且可包括但不限于山岭地区或近海位置。转子106包括附连到可旋转轮毂110的一个或多个涡轮机叶片108。在该示范性实施例中，风力涡轮机100包括三个涡轮机叶片108。

风力涡轮机100包括风力涡轮机控制系统，其的示例在图5中大体上示出，其调节风力涡轮机功能以控制风力涡轮机100的电力生产。该风力涡轮机控制系统包括配置成执行如由本领域内一般技术人员中的一个意识到的涡轮机功能的硬件和软件。风力涡轮机功能包括但不限于叶片旋转速度的调整(regulation)。叶片旋转速度可通过调节包括叶片距(blade pitch)和发电机转矩的参数来控制。

图2图示根据本公开的实施例的示范性涡轮机叶片108。该涡轮机叶片108包括翼型部分205和根部209。该翼型部分205包括前缘201、后缘203、顶端207和底缘211。该涡轮机叶片108在根部209的内缘209a和顶端207之间具有长度L。根部209可连接到在图1中示出的风力涡轮机100的轮毂110。

如在图2中示出的，涡轮机叶片108包括例如异物检测传感器202等异物检测装置。在该示例中，使用两个传感器202a和202b。尽管两个异物检测传感器在图2中示出的涡轮机叶片108上示出，在备选实施例中，涡轮机叶片108可以包括任何适当数量的异物检测传感器202，包括更多或少于两个。

异物检测传感器202a和202b各自包括任何适合的检测器，其配置成检测异物在例如涡轮机叶片108的表面等表面上的积累。在一个实施例中，异物检测传感器202a、202b包括灰尘检测传感器，例如一般根据频率原理工作的压电装置或换能器元件。在备选实施例中，可以使用任何检测或传感器装置，其根据原理的组合中的一个或多个来工作，例如机械、电磁、激光、电子、超声、热电、频率、电阻、电导率、电容、光学、电或智能结构原理。这些种类的传感器或检测装置可包括但不限于换能器、电容器、光学传感器、压电传感器、惠斯通电桥或任何其他适合的灰尘检测或异物检测装置或传感器。例如，当传感器包括惠斯通电桥传感器时，测量到由于异物在涡轮机叶片表面上的沉积引起的电桥的一条支线上的电阻变化。另一个示例是在微小玻璃外壳中的光学传感器，其中传感器的电导率随沉积在玻璃表面上的异物的量而变化。作为另一个示例，在涡轮机叶片的表面中的两个薄膜金属片充当电容器极板，其中在该两个膜片之间的异物的量充当电介质，并且改变装置的电容。

优选地，传感器202a、202b在涡轮机叶片108上的安置将不会干扰涡轮机叶片108的空气动力学形状。从而，传感器202a、202b优选设置在涡轮机叶片镶板的表面216上，这些镶板一般设计用于扣住。在一个示例中，传感器202a、202b设置在叶片表面216上或中形成的孔204a、204b中。在一个实施例中，传感器202a、202b设置在涡轮机叶片108的面对风的压力侧206上。在备选实施例中，传感器202a、202b设置在涡轮机叶片108的吸力侧210上。涡轮机叶片108的压力侧206当与吸力侧210比较时一般具有更大的曲率。由于涡轮机叶片108的压力侧206的曲率，对于压力侧206更加倾向于积累灰尘和其他异物。尽管本文公开的实施例的方面关于设置在孔204a、204b中的传感器202a、202b描述，在一个实施例中，传感器202a、202b可以放置在叶片表面216上或之上而不制作任何孔。在该实施例中，传感器202a、202b是叶片表面216的延伸部分。

在例如在图2中示出的涡轮机叶片108等转子叶片中，涡轮机叶片108的外侧区域212对于能量捕获一般比内侧区域214更关键。从而，异物在外侧区域212上的积累对于涡轮机叶片108的性能一般将具有更大的影响。在图2中示出的实施例中，传感器202a、202b位于外侧区域212上。然而，公开的实施例的方面不这样限制，并且在备选实施例中，传感器202a、202b可以设置在叶片108的整个长度L之上的任何适合的位置处，例如包括内侧区域214。

图3是图2的涡轮机叶片108的截面的透视图。在该实施例中，孔204a、204b在叶片108的镶板220中形成以分别用于定位或容纳传感器202a、202b。在该示例中，镶板220限定涡轮机叶片108的压力侧206，并且孔204a、204b设置在前缘201和后缘203之间。此外，如在图3中清楚示出的，孔204a、204b优选地位于翼梁端(spar cap)230的外面。

在叶片上的传感器或传感器孔的位置的另外的示例在图4A和4B中示出。在该示例中，示范性叶片108的总长度L是大约37.25m。在备选实施例中，叶片108的总长度L可以是选择的风力涡轮机的任何适合的长度。尽管传感器可以位于在叶片108的总长度L之上的任何适合的位置和压力或吸力侧，在图4A中示出的实施例中，两个传感器孔404a、404b位于离根部409的内缘409a大约5/6叶片长度L(31.042m)的位置处，并且在叶片108的压力侧406上。在图4B中，使用四个传感器孔404a-404d。传感器孔404a、404b位于离根部409的内缘409a大约5/6叶片长度L的位置处，其在该示例中是大约31.042m。其他两个传感器孔404c、404d位于大约2/3叶片长度L或24.833m的位置处。

公开的实施例的方面提供数据的自动采集以监测例如灰尘等异物在风力涡轮机叶片上的积累。通过识别实际清洁要求，涡轮机叶片108的空气动力学形状将被维持并且叶片108的寿命将增加。另外，清洁和维护成本将通过仅当它们需要时清洁叶片108以及延迟清洁来最小化以便优化关于涡轮机和/或叶片数量的成本。涉及实际清洁要求的数据可以被采集、存储和用于将来的分析和更准确的清洁预测。在一个实施例中，参照图5A，示出包括多个风力涡轮机500的示范性风电场的框图。与每个风力涡轮机500关联的异物检测传感器502耦合于个体涡轮机500的控制器522。控制器522可以位于个体涡轮机的每个处或位于相应涡轮机的远处。在一个实施例中，控制器522可以配置成接收、处理和解释从传感器502接收的信息。控制器522进而耦合于控制系统530，例如风电场中央服务器，其除其他以外还接收并且解释来自每个控制522的关于来自传感器502的数据的信息。该控制系统530可以确定什么时候要求叶片清洁并且发起适当的处理。在一个实施例中，该控制系统530是集中式风电场控制系统。在备选实施例中，个体控制器522可以耦合于独立风电场控制器，其然后耦合于集中式系统。在图5中示出的各种部件之间的耦合可以是用于发送和接收电子数据的任何适合的连接，包括但不限于硬件连接和无线连接。

尽管公开的实施例关于耦合于控制器522的传感器502描述，在一个实施例中，与个体涡轮机500关联的传感器502可以直接连接到控制系统530。来自每个传感器502的数据可以直接在控制系统530中处理。

基于接收的传感器502数据，控制系统530可以提供涉及在特定涡轮机500的叶片108上积累的异物的定性水平的数据和信息。备选地，每个控制器522可以配置成解释来自对应传感器502的数据和信息并且产生清洁信号(如果数据指示要求叶片清洁)。例如，参照图6，在一个实施例中，涉及特定涡轮机500的传感器数据在步骤602在相应控制器522或在控制系统530中接收到。传感器数据是在叶片上的异物积累的测量，如由传感器502检测到的。在一个实施例中，测量可以在涡轮机500的正常运行期间进行，以便提供实时异物积累数据。一般，传感器信号或数据将转换为兼容用于通过硬件或无线通信协议与控制器522和/或控制系统530通信的形式。公开的实施例的方面不意在由使用的特定的信号格式和通信协议限制。

在一个实施例中，如由传感器502指示的异物积累的水平在步骤604与阈值水平比较。该阈值水平一般是指示涡轮机叶片108在该处清洁的水平。在一个实施例中，阈限值将基于异物积累的量和对应的AEP降低之间的关系获得或确定。阈值水平可以根据AEP的预定降低百分比确定。AEP是在涡轮机每年将生产的某个能量的风电场中的涡轮机输出的估计。在备选实施例中，可以使用用于确定阈值水平的任何适合的方法。阈值水平确定的其他示例可以包括但不限于由于异物积累、粘住或堆积引起的空气动力学形状的变化引起的叶片空气动力学效率中的预定降低百分比、电力生产、涡轮机性能或效率的预定降低百分比或测试数据或现场经验。尽管公开的实施例关于阈值水平描述，在备选实施例中，传感器信号可以用于提供异物积累或性能数据的相对水平或指示。在一个实施例中，该信息或数据可以直接显示在控制系统530显示器或用户界面上。

在一个实施例中，如果阈值水平满足或超过，要清洁的涡轮机在步骤606识别。这可以包括例如在控制系统530的用户界面上识别特定涡轮机、发起自动关闭和/或清洁处理或响起警报。如果阈值水平没有满足，在步骤608涡轮机500可以保持它的继续运行和/或它的状态。运行状态可以由显示器示出。例如，在风电场控制系统中，可以有每个风力涡轮机500的显示指示器。每个涡轮机的运行状态可以在控制系统530的显示器上识别。在一个实施例中，显示器可以被颜色编码以便能够容易地识别或辨别需要清洁、或正在清洁处理中的涡轮机与不需要这么做的涡轮机。例如，在一个实施例中，系统将提供系统中的每个涡轮机500的颜色编码的现场图表，具有在每个涡轮机上的异物积累的对应指示。异物积累或堆积的水平可以对不同的积累水平使用不同的颜色呈现。从而，查看该显示器的人可以容易地辨别要求清洁或注意的涡轮机与不要求这么做的涡轮机。在备选实施例中，可以使用任何适合的辨别涡轮机的方法。另外，异物积累的当前水平可以对每个涡轮机指示使得可以监测性能和其他因素。

在一个实施例中，参照图5B，每个控制器522可以耦合于进而连接或耦合于集中式风电场服务器530的本地计算机系统524。该服务器530可以配置成从本地计算机系统524检索信号和实时数据。

图5C图示其中具有与它们的对应控制器522连接的传感器502的涡轮机500的组540a-540c耦合于独立计算机系统542a-542c中的相应的独立计算机系统。计算机系统542a-542c耦合于控制系统530。尽管仅三个组在图5C中示出，公开的实施例的方面不这样限制，并且在备选实施例中，系统可以包括任何适合数量的的组。每个计算机系统542a-542c处理来自相应传感器502的信号。该数据然后传送给控制系统530用于如本文描述的进一步处理。

公开的实施例还可包括软件和计算机程序，其包含上文描述的处理步骤和指令。在一个实施例中，包含本文描述的处理步骤的程序可以存储在计算机程序产品上或中并且在一个或多个计算机中执行。图7是包含可用于实践本发明的方面的特征的典型设备700的一个实施例的框图。该设备700可以包括存储在计算机可读存储介质上的计算机可读程序代码部件，其用于实行和执行本文描述的处理步骤。在一个实施例中计算机可读程序代码存储在设备700的存储器中。在备选实施例中计算机可读程序代码可以存储在设备700外部或远离其的存储器或存储介质中。该存储器可以直接耦合或无线耦合于设备700。

如示出的，计算机系统或控制器702可链接到另一个计算机系统或控制器704，使得计算机702和704能够互相发送信息并且互相接收信息。在一个实施例中，计算机系统702可以包括适应于与网络706通信的服务器计算机或控制器。备选地，在使用仅一个计算机系统，例如计算机系统704的地方，它将配置成与网络706通信并且交互。例如图5的控制器522和控制系统530等计算机系统704和702可以采用任何常规的方式链接在一起，其包括例如调制解调器、无线、硬线连接或光纤链路。一般，使用典型地在通信通道或其他适合的连接或线路、通信信道或链路上发送的通信协议，可以使例如来自传感器502的数据等信息对一个计算机系统702和704或二者可用。在一个实施例中，通信通道包括适合的宽带通信通道。

计算机系统702和704一般适应于利用包含机器可读程序源代码的程序存储装置，其适应于使计算机系统702和704执行本文公开的方法步骤和处理。包含公开的实施例的方面的该程序存储装置可设计、制作和使用而作为利用光学、磁性特性和/或电子学的机器的部件以执行本文公开的规程和方法。在备选实施例中，该程序存储装置可包括磁性介质，例如软磁盘(diskette)、磁盘(disk)、记忆棒或计算机硬盘，其可由计算机读取和执行。在其他备选实施例中，程序存储装置可以包括光盘、只读存储器(“ROM”)、软盘和半导体材料和芯片。

计算机系统702和704可还包括用于执行存储的程序的微处理器。计算机系统704可包括在它的程序存储装置上的用于信息和数据存储的数据存储或存储装置708。包含处理和方法步骤(包含公开的实施例的方面)的计算机程序或软件可存储在一个或多个计算机系统702和704中在另外常规的程序存储装置上。在一个实施例中，计算机系统702和704可包括用户界面710和/或显示界面712，例如图形用户界面等，公开的实施例的方面可以从其呈现和/或访问。该用户界面710和显示界面712(其在一个实施例中可以包括单个界面)可以适应于例如允许查询和命令输入到系统，以及呈现传感器数据的分析的结果，如参照图5和6描述的。

从而，尽管已经示出、描述和指出如应用于本发明的示范性实施例的本发明的基本新颖特征，将理解图示的装置的形式和细节上以及在它们的运行上的各种省略和替代和变化可由本领域内技术人员做出而不偏离本发明的精神。例如，尽管风力涡轮机的每个涡轮机叶片可以具有它自己的异物检测装置，使用在仅一个涡轮机叶片上的一个或多个异物检测装置是可能的。此外，明显意图是采用大致上相同的方式执行大致上相同的功能以获得相同的结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合在本发明的范围内。此外，应该认识到连同本发明的任何公开的形式或实施例示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可包含在任何其他公开的或描述的或建议的形式或实施例中作为设计选择的一般事项。因此意在仅如本文附上的权利要求的范围指示的那样来限制。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机(100)，其包括：

风力涡轮机叶片(108)；以及

设置在所述风力涡轮机叶片(108)上用于检测异物在所述风力涡轮机叶片(108)上的积累的异物检测装置(202)。

2.如权利要求1所述的风力涡轮机(100)，进一步包括耦合于所述异物检测装置(202)并且配置成确定异物积累的预定阈值水平什么时候达到的控制器(522)。

3.如权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其中所述风力涡轮机叶片(108)包括压力侧(206)和吸力侧(210)，所述异物检测装置(202)设置在所述压力侧(206)和所述吸力侧(210)中的一个上。

4.如权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其中所述风力涡轮机叶片(108)包括具有孔(204a、204b、404a-404d)的镶板(220)，所述异物检测装置(202)设置在所述孔(204a、204b、404a-404d)中。

5.如权利要求4所述的风力涡轮机(100)，其中所述镶板(220)包括翼梁端(230)，所述孔(204a、204b、404a-404d)设置在所述翼梁端(230)的外面。

6.如权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其中所述异物检测装置(202)使用频率、电阻、电导率或电容以测量在所述风力涡轮机叶片(108)上的异物积累。

7.如权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其中所述异物检测装置(202)包括压电传感器(502)、光学传感器(502)或换能器元件。

8.一种风电场系统，其包括：

多个风力涡轮机(100)，所述风力涡轮机(100)中的每个包括：

当风流作用在所述风力涡轮机叶片(108)上时可绕轴旋转的风力涡轮机叶片(108)；

设置在所述风力涡轮机叶片(108)上用于检测异物在所述风力涡轮机叶片(108)上的积累的异物检测装置(202)；以及

配置成从所述异物检测装置(202)接收异物积累数据的控制器(522)。

9.一种用于监测在风力涡轮机叶片(108)的叶片(108)表面上的异物积累的方法，所述方法包括：

从设置在所述叶片(108)表面上的异物检测装置(202)接收(602)在所述叶片(108)表面上的异物积累的水平的指示；以及

确定(604)所述指示的异物积累水平是否超过阈值水平。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括如果所述指示的异物积累水平超过所述阈值水平发起叶片清洁处理。

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