CN102465836A - 风力机叶片的有效控制 - Google Patents

Abstract

本发明大体上涉及运行风力机，涉及用于提高风力机的发电量的方法和系统，其中所述风力机包括转子、至少一个连接到所述转子的转子叶片、至少一个传感器，以及以通信方式连接到所述传感器的控制器。检测所述转子叶片的流动参数，且至少部分基于所述转子叶片的所述流动参数来控制所述风力机的运行，以减少所述转子叶片处的流动分离。

Description

风力机叶片的有效控制

技术领域

本发明大体上涉及运行风力机，确切地说，涉及用于提高风力机的发电量的方法和系统。

背景技术

由于风力机具有环境安全性，并且是成本较为低廉的替代能源，因此已受到人们的广泛关注。随着人们对替代能源的兴趣日益增长，人们已在开发可靠且高效的风力机方面做出了极大的努力。至少一些已知的风力机中包括转子，所述转子用于将风能转换成用于驱动一个或多个发电机的旋转扭矩。

至少一些已知的转子连接到多个风力机叶片。至少一些已知的风力机叶片上会出现流动分离，而这可能导致失速、驱动扭矩减小，和/发电量或风力机的发电量减少。

发明内容

一方面，本发明提供一种用于提高风力机的发电量的方法，其中所述风力机包括转子、至少一个连接到所述转子的转子叶片、至少一个传感器，以及以通信方式连接到所述传感器的控制器。所述方法包括使用传感器来检测转子叶片的气流参数。控制器用于至少部分基于转子叶片的气流参数来控制风力机的运行，以减少转子叶片处的流动分离。所述检测气流参数进一步包括检测气压、气压梯度、风速，以及风速梯度中的至少一个。

所述方法进一步包括：促动所述转子叶片；接收与所述转子叶片的所述促动相关的反馈；以及

至少部分基于所述反馈来调整所述转子叶片的所述促动。所述控制所述风力机的运行进一步包括振动所述转子叶片或者进一步包括围绕转子叶片轴旋转所述转子叶片。

另一方面，本发明提供一种用于提高风力机的发电量的控制器，其中所述风力机包括转子、至少一个连接到所述转子的转子叶片，以及至少一个有效地连接到所述转子叶片的传感器。所述控制器配置成从传感器接收指示风力机叶片的气流参数的数据。至少部分基于转子叶片的气流参数来控制风力机的运行，以减少转子叶片处的流动分离。

另一方面，本发明提供一种用于提高风力机的发电量的系统。所述系统包括转子、至少一个连接到所述转子的转子叶片、至少一个配置成检测所述转子叶片的气流参数的传感器，以及以通信方式连接到所述传感器的控制器。所述控制器配置成从传感器接收指示风力机叶片的气流参数的数据。至少部分基于转子叶片的气流参数来控制风力机的运行，以减少转子叶片处的流动分离。

所述传感器配置成检测气压、气压梯度、风速，以及风速梯度中的至少一个。所述系统进一步包括第一传感器连接到所述转子叶片的第一部分，且第二传感器连接到所述转子叶片的第二部分。所述系统进一步包括至少一个配置成促动所述转子叶片的致动器。

其中所述控制器进一步配置成：接收与所述转子叶片的所述促动相关的反馈；以及至少部分基于至少所述反馈来调整所述转子叶片的所述促动。所述第一致动器连接到所述转子叶片的第一部分，且第二致动器连接到所述转子叶片的第二部分，所述第一致动器配置成促动所述转子叶片的所述第一部分，所述第二致动器配置成促动所述转子叶片的所述第二部分。

所述控制器进一步配置成振动所述转子叶片。

所述控制器进一步配置成围绕转子叶片轴旋转所述转子叶片。

所述控制器进一步配置成至少一个增加所述转子叶片的升力。

附图说明

图1为示例性风力机的透视图；

图2为用于图1所示风力机的示例性控制器的方框图；以及；

图3为一种示例性方法的流程图，所述方法用于使用图2所示的控制器来减少图1所示风力机的转子叶片处的流动分离。

元件符号列表：

参考标号	部件	参考标号	部件
				10	风力机	12	塔筒
14	支撑表面	16	机舱
				18	转子	20	轮毂
22	旋转轴	24	风向
				26	转子叶片	28	控制器
30	传感器	32	第一传感器
				34	第一部分	36	第二传感器
38	第二部分	40	致动器
				42	第一致动器	44	第二致动器
46	内存装置	48	处理器
				50	通信接口	52	远程装置
100	方法	110	检测
				122	确定	124	生成
126	促动

具体实施方式

本专利申请文件所描述的方法和系统大体上涉及运行风力机，确切地说，涉及用于提高风力机的发电量的方法和系统。在一个实施例中，风力机叶片表面上的流动分离得到有效控制，以防止和/或延迟叶片的失速。本专利申请文件所用术语“流动分离”是指气流中出现速度梯度，而表面上的反压力梯度接近零。

例如，当诸如转子叶片等固体物质暴露在移动的流体中，例如空气，此时流动分离将在“分离点”出现。如本专利申请文件所述，固体物质表面上的切变应力在分离点时接近零。此外，如本专利申请文件所述，“再附着点”表示物体表面处的压力梯度在气流方向上降到零以下的位置。“分离点”和“再附着点”之间的区域有时称为“分离区域”。该分离区域中可能存在“分离泡”。

在某些实施例中，气流会与转子叶片表面分离，从而导致转子叶片的升力减小和/或曳力增加。本专利申请文件所述的方法和系统可延迟流动分离、增加转子叶片的升力，和/或减小转子叶片的曳力，从而提高风力机的发电量。

图1为示例性风力机10的透视图。本专利申请文件所用术语“风力机”是指从风能产生转动能，具体而言，将风的动能转换成机械能的任何装置。在示例性实施例中，风力机10是用于从风能中产生电能的风力发电机。本专利申请文件所用术语“风力发电机”是指从产生于风能的转动能中产生电能，具体而言，将从风的动能中转换得到的机械能转换成电能的任何风力机。

在示例性实施例中，风力机10包括从支撑表面14延伸的塔筒12和安装在塔筒12上的机舱16。塔筒12可为任何合适类型的塔筒，且可使用任何合适材料制成。在示例性实施例中，塔筒12是使用钢管制成的，这样支撑表面14和机舱16之间即形成有腔(未图示)。塔筒12的高度可为可使风力机10如本专利申请文件所述一般运行的任何合适高度。

在示例性实施例中，转子18连接到机舱16，且包括可围绕旋转轴22旋转的轮毂20。风力机10和/或转子18可置于相对于风向24的任何角度处，以利用其中的风能。在示例性实施例中，风力机10为水平轴风力机，且转子18通常逆风或顺风以利用风能。

在示例性实施例中，转子18包括至少一个连接到轮毂20且从轮毂20向外延伸的转子叶片26。本专利申请文件所用术语“叶片”是指在相对于周围流体运动时提供反作用力的任何装置。在示例性实施例中，转子叶片26环绕轮毂20间隔设置，以有助于转子18围绕旋转轴22旋转，从而将来源于风的动能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。作用到转子叶片26上的负载会转移到轮毂20中。

在示例性实施例中，将在下文详细描述的控制器28以通信方式连接到风力机10的多个部件，以便大体上监测和控制风力机10和/或所述风力机的部分或全部部件的运行。例如，在示例性实施例中，当气流参数变化时，控制器28可基于该气流参数的变化来控制风力机10的运行。此类气流参数包括气流的量性特征，包括但不限于气压、气压梯度、风速、风速梯度、风向、风切变、湍流强度、空气湿度，和/或空气温度。某些实施例中可使用替代分布式或集中控制式结构。

在示例性实施例中，风力机10还包括至少一个用于检测和/或测量气流参数的传感器30，例如图1所示的传感器32和36。例如，在示例性实施例中，每个传感器30配置成检测转子叶片26的切变应力。本专利申请文件所用术语“切变应力”是施加到材料表面，例如转子叶片26，的非正态(即水平或切向)应力，且表示混合流体的作用。空气等流体沿着转子叶片26运动即产生切变应力。在示例性实施例中，可根据由传感器30所检测到的切变应力来确定气流从转子叶片26的表面的分离，其中所述分离在本专利申请文件中称为“流动分离”。例如，在示例性实施例中，当传感器30检测到转子叶片26的切变应力约为零时，发生流动分离。或者，传感器30可配置成检测任何合适的气流参数，包括但不限于气压、气压梯度、风速、风速梯度、风向、风切变、湍流强度、空气湿度，和/或空气温度。

此外，传感器30可配置成检测风力机10的运行参数。所述运行参数可包括，但不限于转子叶片26的桨距角和/或风力发电机(未图示)的电力输出。本专利申请文件所用术语“桨距角”是指转子叶片26相对于轮毂20和/或风向24的角度。替代或附加地，传感器30可配置成检测，但不限于，任何环境条件、位移、偏航、变桨、力矩、应变、应力、扭转、损坏、故障、转子转矩、转子转速、电力负载，和/或风力机10和/或其部件的功率。

传感器30可连接到风力机10内或远离风力机10的任何合适位置。在示例性实施例中，传感器30的位置至少取决于气流速度、气流速度梯度、压力、压力梯度、转子叶片的几何形状、转子叶片宽度、壁面切变应力，和/或雷诺数。本专利申请文件所用术语“雷诺数”是指转子叶片26上气流的惯性力与粘滞力之比。具体而言，在示例性实施例中，传感器30位于分离区域内，且传感器30的分布可至少基于分离泡的大小。例如，在示例性实施例中，第一传感器32连接到转子叶片26的第一部分34，且第二传感器36连接到转子叶片26的第二部分38。在示例性实施例中，传感器30以电子数据通信的方式连接到控制器28，以向控制器28发送气流参数信号和/或运行参数信号。

在示例性实施例中，风力机10包括至少一个致动器40，所述致动器40配置成促动和/或驱动至少一个转子叶片26。这样，致动器40有助于扰乱邻近转子叶片26处的气流，从而延迟气流的流动分离。致动器40可包括，但不限于任何合适的结构、配置、布置、构件和/或部件，无论是否在本专利申请文件中描述和/或说明，例如电机、液压缸、弹簧、压电传动装置和/或伺服系统。此外，致动器40可由任何合适的构件驱动，无论是否在本专利申请文件中描述和/或说明，包括但不限于液压机液体、电力、电化动力，和/或弹簧弹力等机械动力。

致动器40可以适当方式促动转子叶片26，以增加转子叶片26的升力和/或减少转子叶片的曳力，从而有助于提高风力机10的发电量。例如，在示例性实施例中，致动器40配置成通过压力脉冲使转子叶片26振动。此外，致动器40可配置成使得转子叶片26旋转，以控制转子叶片26相对于风向24的桨距角。在一个实施例中，传感器30配置成检测转子叶片26的促动或旋转，且将指示所述促动或旋转的信号传输到控制器28。这样，控制器28即能够接收与转子叶片26的促动或旋转相关的反馈。在此类实施例中，控制器28接收所述信号，且配置成至少基于由传感器30提供的反馈来调整转子叶片26的促动。

致动器40可连接到风力机10内或远离风力机10的任何合适位置。在示例性实施例中，致动器40的位置至少取决于气流速度、气流速度梯度、压力、压力梯度、转子叶片的几何形状、转子叶片宽度、壁面切变应力，和/或雷诺数。具体而言，在示例性实施例中，致动器40位于分离区域内，且致动器40的分布可至少基于分离泡的大小。例如，在示例性实施例中，第一致动器42连接到转子叶片26的第一部分34，且第二致动器44连接到转子叶片26的第二部分38，以选择性地基于由第一传感器32和/或第二传感器36检测到的气流参数和/或运行参数来促动或旋转第一部分34和/或第二部分38。在示例性实施例中，致动器40以电子数据通信的方式连接到控制器28，以处理和/或接收来源于控制器28的合适信号。

图2为控制器28的方框图，其中所述控制器包括内存装置46和处理器48，所述处理器连接到存储装置46以执行经过编程的指令。处理器48可包括一个或多个处理单元(例如在多核配置中)。在一个实施例中，可执行的指令和/或运行数据存储在内存装置46中。例如，在示例性实施例中，内存装置46存储至少一个用于估算分离点、再附着点、分离区域和/或分离泡的流动方程。此类方程可让控制器28选择性地驱动致动器40来将能量注入气流中，从而控制流动分离。控制器28可以进行编程，以通过编程内存装置46和/或处理器48来执行一个或多个本专利申请文件所述的操作。例如，处理器48的编程可通过将某个操作编码为一个或多个可执行指令，并在内存装置46中提供该可执行指令来实现。

处理器48可包括，但不限于通用中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)，和/或其他任何能够执行本专利申请文件所述功能的电路或处理器。本专利申请文件所述方法可编码成存储在计算机可读介质中的可执行指令，所述计算机可读介质包括，但不限于存储装置和/或内存装置。处理器执行此类指令时，所述指令可让处理器执行本专利申请文件所述的方法的至少一部分。以上实例仅为示例性实例，因此无论如何，其目的并不在于限制术语“处理器”的定义和/或意义。

本专利申请文件所述的内存装置46是用于启用可执行指令和/或要存储和检索的其他数据等信息的一个或多个装置。内存装置46可包括一个或多个计算机可读介质，例如，但不限于动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态硬盘，和/或硬盘。内存装置46可配置成存储，但不限于，可执行指令、运行数据，和/或用于本专利申请文件所述方法和系统的其他任何类型的数据。

在示例性实施例中，控制器28包括连接到内存装置46和/或处理器48的通信接口50。通信接口50以通信方式与传感器30、致动器40，和/或另一控制器28等远程装置52连接。例如，通信接口50可包括，但不限于有线网络适配器、无线网络适配器和/或移动通信适配器。

图3为说明控制风力机的示例性方法100的流程图，所述风力机包括风力机10(图1所示)等。在示例性实施例中，方法100包括检测转子叶片26的流动参数(步骤110)。例如，在一个实施例中，传感器30可检测转子叶片26的压力、压力梯度、转速和/或速度梯度(步骤110)。在示例性实施例中，对流动参数的检测(步骤110)是以连续和动态的方式进行的，且所述参数可静态地以电子方式存储在内存装置46中。

在示例性实施例中，控制器28至少基于转子叶片26的流动参数来控制风力机10的运行，以提高风力机10的发电量。具体而言，在示例性实施例中，控制器28确定传感器30所检测到的流动参数之间的至少一个统计关系(步骤122)。此类统计关系可包括，但不限于分离点和/或再附着点和叶片翼弦长、叶片宽度、攻角和/或雷诺数之间的关系。在示例性实施例中，指示流动分离的至少部分检测信息(步骤110)包括，但不限于转子叶片表面处的切变应力接近零、转子叶片表面处的速递梯度接近零，和/或转子叶片表面处的压力梯度大于零。此外，在示例性实施例中，控制器28可确定分离泡的大小。

在示例性实施例中，控制器28至少基于所述统计关系生成运行指令(步骤124)，并将所述运行指令传输到致动器40以促动或旋转转子叶片26产生湍流(步骤126)。在此类实施例中，致动器40可根据接收到的运行指令来振动、旋转和/或促动或旋转转子叶片26(步骤126)，以在气流中形成湍流。

此外，在另一实施例中，第一传感器32可检测第一部分34的第一流动参数(步骤110)，且第二传感器36可检测第二部分38的第二流动参数(步骤110)。在此类实施例中，控制器28可确定“分离点”和/或“分离区域”(步骤122)并生成针对第一致动器42的第一运行指令和针对第二致动器44的第二运行指令(步骤124)，这样第一部分34和第二部分38即可分别基于所述第一流动参数和第二流动参数受到促动(步骤126)。

在示例性实施例中，传感器30能够向控制器28提供与风力机10的运行相关的反馈。这样，在示例性实施例中，控制器28可至少基于由传感器30提供的反馈来调整运行指令，和/或生成致动器40的后续运行指令以促动或旋转转子叶片26(步骤124)。

上文详细描述了用于提高风力机的发电量的示例性方法和系统。本专利申请文件所述的实施例可提高风力机在低风速等任何风速和/或高迎角等任何迎角下的能量捕获能力。本专利申请文件所述的实施例的其他特征可包括增加驱动扭矩、能量提取和/或发电量。

本专利申请文件中所述的系统和方法并不限于具体实施例，实际上，方法和系统的组成部分可独立于本专利申请文件中所述的其他组成部分单独使用。例如，本专利申请文件所述的方法和系统可具有其他产业和/或客户应用，且不限于使用本专利申请文件所述的风力机进行实践。实际上，本发明可在许多其他产业中实施和使用。

应了解，在本专利申请文件中，以单数形式列举、并用字词“一”或“一个”引出的元件或步骤并不排除多个所述元件或步骤，除非明确指出所述排除情况。此外，对“一个实施例”的引用并不代表不存在同样包括所述特征的其他实施例。此外，除非明确指出相反情况，否则“包含”、“包括”或“拥有”具有特定性质的某个元件或多个元件的实施例可包括不具有所述性质的其他此类元件。

该专利申请文件使用了各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种用于提高风力机(10)的发电量的控制器(28)，其中所述风力机包括转子(18)、至少一个连接到所述转子的转子叶片(26)，以及至少一个有效地连接到所述转子叶片的传感器(30)，所述控制器配置成：

从所述传感器接收指示所述转子叶片的气流参数的数据；以及

至少部分基于所述转子叶片的所述气流参数来控制所述风力机的运行，以减少所述转子叶片处的流动分离。

2.根据权利要求1所述的控制器(28)，其特征在于，所述控制器进一步配置成：

促动所述转子叶片(26)；

接收与所述转子叶片的所述促动相关的反馈；以及

至少部分基于所述反馈来调整所述转子叶片的所述促动。

3.根据权利要求1所述的控制器(28)，其特征在于，所述控制器进一步配置成振动所述转子叶片(26)。

4.根据权利要求1所述的控制器(28)，其特征在于，所述控制器进一步配置成围绕转子叶片轴旋转所述转子叶片(26)。

5.根据权利要求1所述的控制器(28)，其特征在于，所述控制器进一步配置成增加所述转子叶片(26)的升力。

6.根据权利要求1所述的控制器(28)，其特征在于，所述控制器进一步配置成减小所述转子叶片(26)的曳力。

7.一种用于提高风力机(10)的发电量的系统，所述系统包括：

转子(18)；

至少一个连接到所述转子的转子叶片(26)；

至少一个配置成检测所述转子叶片的气流参数的传感器(30)；以及

以通信方式连接到所述传感器的控制器(28)，所述控制器配置成：

从所述传感器接收指示所述转子叶片的所述气流参数的数据；以及

至少部分基于所述转子叶片的所述气流参数来控制所述风力机的运行，以减少所述转子叶片处的流动分离。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述传感器(30)配置成检测气压、气压梯度、风速，以及风速梯度中的至少一个。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：第一传感器(32)连接到所述转子叶片(26)的第一部分(34)，且第二传感器(36)连接到所述转子叶片(26)的第二部分(38)。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括至少一个配置成促动所述转子叶片(26)的致动器(40)。

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