专利名称：风力涡轮机叶片清洁方法
技术领域：
本发明大体上涉及风力涡轮机，且更具体地涉及一种用于
清洁风力涡轮;f几叶片的方法。
背景技术：
近年来，风力涡轮机作为 一种对环境安全且相对便宜的替 代能源，受到了日益增加的关注。随着对其关注的增长，人们已做出 了相当大的努力来研制可靠且高效的风力涡轮^L。通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在 外壳或机枪上，该外壳或机舱位于桁架式塔架或管状塔架的顶上。公 用级风力涡轮机(即，设计成用来将电力提供到公用电网上的风力涡轮 机)可具有大型转子(例如，直径为30米或更大)。此外，风力涡轮机 通常安装在高度至少为60米的塔架上。这些转子上的叶片将风能转 换成驱动一个或多个发电机的转动转矩或转动力，发电机可通过齿轮 箱可旋转地联接到转子上。齿轮箱逐步提升用于发电机的涡轮转子固 有的低转速，以有效地将机械能转换成输入到乂>用电网中的电能。风力涡轮机叶片具有不断增大的尺寸，以便增大能量捕获。 重要的是优化风力涡轮机的运行，包括叶片能量捕获，以降低产能成 本。叶片的倾斜设置(即，翼型形状的叶片冲角)提供了用于风力涡轮 机控制的一个参数。通常，控制器构造成用以通过以提供增大或减小 风能传递的方式调整叶片倾斜或发电机转矩来调整转子速度(即，转子 围绕其旋转的浆毂的转速)和/或功率输出，相应地期望其调整转子速 度。具有先进的控制系统的风力涡轮机通过主动的转矩和叶片倾斜控制来保持恒定的末梢比速度(在低风速下)或功率(在高风速下)。 对于风力涡轮机来说，如果风力涡轮机的叶片在非最佳状态下运行， 则功率的产生会受到负面影响。导致机器的次最佳性能的常见问题为 叶片结垢。叶片结垢可由多种原因引起。例如，昆虫、污垢或其它碎 屑可积聚在涡轮机叶片的前缘或其它表面上。碎屑的累积可能会降低 风能传递的效率，且在一定环境下可能会因为翼片表面上的气流分离 而最终导致空气动力失速，从而损失效率。为了克服叶片结垢的问题， 需要进行定期维护，包括拆卸和清洁叶片。此外，为了克服叶片结垢 而进行的一些尝试包括设置成用以适当地清洁叶片的复杂和昂贵的 设备。因此，需要一种用于清洁结垢的风力涡轮机叶片的方法，
其不需要昂贵和复杂的设备，并且不需要拆卸叶片或使风力涡轮机完
全停机。
发明内容
本文涉及一种感测降水且相应地调整叶片速度和倾斜的风 力涡轮机。本文还涉及一种清洁风力涡轮机叶片以除去可积聚于其上 的任何碎屑的方法。风力涡轮机具有围绕转子旋转的一个或多个叶片，转子的 速度是可调整的。可检测是否存在降水的至少一个传感器提供成与风 力涡轮机进行通信。控制器构造成用以响应来自于至少一个传感器的 对应于是否存在降水的信号来调整转子速度。该至少一个传感器和该 控制器进行配合，以在存在降水的期间增大转子速度，从而容许降水 从风力涡轮机的叶片上除去石夺屑。控制器还可构造成用以响应来自于至少一个传感器的对应 于是否存在雨水的信号来调整叶片倾斜。该至少一个传感器和该控制 器进行配合，以在存在降水的期间增大叶片倾斜，从而容许降水与叶 片更大的表面积相配合来从风力涡轮机的叶片上除去碎屑。[OOIO]控制器可具有控制系统，其可接收来自于构造成用以检测 是否存在降水的至少一个传感器及检测其它环境条件的其它传感器
的输入。控制系统处理所有的输入，且可响应于来自于至少一个传感 器的对应于是否存在降水的信号以及来自于其它传感器的对应于其 它环境条件的信号来指挥控制器调整转子速度或增大叶片倾斜。用于清洁转子速度可调的风力涡轮机的叶片的方法包括确 定是否存在降水。响应于对存在降水的确定，调整转子速度以增大叶 片速度。增大的转子速度与存在降水相结合有助于通过降水来将碎屑 从叶片上除去。用于清洁围绕转子旋转的风力涡轮机叶片的方法包括确定 是否存在降水，该风力涡轮机具有用以控制叶片倾斜的可变倾斜驱动 器。响应于对存在降水的确定，使用可变倾斜驱动器来改变叶片倾斜。
水来将碎屑从叶片上除去。该方法还可包括具有控制系统，使得在确定降水时，在调 整转子速度之前，控制系统分析从各个输入装置接收到的存储数据或 输入来确定是否调整转子速度和/或是否调整叶片倾斜。此外，在已经 调整转子速度之后和/或已经调整叶片倾斜之后，控制系统分析从各个 输入装置接收到的降水数据和存储数据或输入来确定是否进一步调 整转子速度和/或是否进一步调整叶片倾斜。通过优选实施例的如下更为详细地说明，并结合以举例的 方式来对本发明的原理进行图示的附图，本文的其它特征和优点将更 为明显。
图1为风力涡轮机的示例性构造的示意图。图2为图1中所示的示例性风力涡轮机构造的叶片的示意[oon]图3为图i中所示的示例性风力涡轮机构造的机抢的剖面
透^L图。图4为图1中所示的风力涡轮机构造的控制系统的示例性 结构的框图。只要可能，则相同的参考标号将在全部附图中用于表示相 同或相似的零件。
具体实施例方式参看图1,公开了一种示例性风力涡轮机100。风力涡轮机 100包括安装在高塔架104顶上的机舱102,图1中仅示出了塔架104 的一部分。风力涡轮机100还包括风力涡轮机转子106，其包括附接 到旋转浆毂110上的一个或多个转子叶片108。在所示的实施例中， 降水或雨水传感器120定位在机抢102上，但其它构造也是可行的， 如在涡轮机附近靠近地面高度，或在邻近的气象杆上。尽管图1中所 示的风力涡轮机IOO包括三个转子叶片108,但并不存在对可使用的 转子叶片108数目的特殊限制。塔架104的高度是基于本领域中所公 知的因素和条件来选择的。如图2中所示，各转子叶片108均具有前缘150、后缘152、 固定端154以及自由端156。侧面158构造成用以提供足够的表面积， 使得风将会与该侧面158相配合来旋转叶片108。由于可使用其它公 知的叶片构造，故叶片的该构造仅为示例性的。在一些构造中且参看图3，多种构件收容于塔架104顶上的 机抢102中。 一个或多个樣"空制器或其它控制构件(未示出)收容在控 制器或控制面板112内。微控制器包括构造成用以提供控制系统的硬 件和软件，该控制系统提供对整个系统的监测和控制，包括倾斜和速 度调节、高速轴和偏航制动应用、偏航和泵用电动机应用和故障监测。 在本文的备选实施例中，控制系统可为分布式控制体系，其并非仅为 了控制面板112而提供，这正如本领域的普通技术人员所认识到的那样。控制系统将控制信号提供给可变叶片倾斜驱动器114，以控制通
过风来驱动浆毂110的叶片108(图1)的倾斜。在一些构造中，叶片108 倾斜由叶片倾斜驱动器114单独地进行控制。风力涡轮机的传动系包括主转子轴116(也称为"低速轴")， 其连接到浆毂IIO上并由主轴承130支承，且在轴116的对置端处连 接到齿轮箱118上。主转子轴116的转速或转子转速可通过适合的仪 器或测量装置(未示出)来测量。在一些构造中，浆毂转速从连接至发 电机后端的高速轴上的编码器中获悉；以及已知的叶片长度用于确定 末梢速度。此外，转子速度可根据高速轴或低速轴上的接近开关来确 定。此外，转子速度可利用传感装置如标记的高速轴或低速轴的光学 选通(strobing)检测来直接测量。转子速度信息可提供给控制系统，以 提供用于确定末梢速度比的输入。在一些构造中，齿轮箱118利用双 通道几何结构来驱动封装的高速轴。高速轴(图2中未示出)用于驱动 安装在主机架132上的发电机120。在一些构造中，转子转矩通过联 接器122来传递。发电机120可具有任何适合的类型例如，绕线转 子感应发电才几。偏航驱动器124和偏航曱板126提供用于风力涡轮机100 的偏航定向系统。风速测定提供用于偏航定向系统的信息，包括在风 力涡轮机处测得的即时风向和风速。风速测定可由风向标128提供。 风速测定的信息可提供给控制系统，以提供用于确定末梢速度比的输 入。在一些构造中，偏航系统安装在设置于塔架104顶上的法兰上。在一些构造中且参看图4,用于风力涡轮机100的示例性控 制系统300包括总线302或其它通信装置以传递信息。处理器304联 接到总线302上来处理信息，该信息包括来自于构造成用以测定位移 或力矩的传感器的信息。控制系统300还包括随机存取存储器 (RAM)306和/或其它存储装置308。 RAM 306和存々者装置308联接到 总线302上，用以存储和传输待由处理器304执行的信息和指令。RAM 306(并且如果需要的话还有存储装置308)还可用来在处理器304执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。控制系统300还可包括只读 存储器(ROM)和/或其它静态存储装置310,其联接到总线302上，以 存储静态(即不变的)信息和指令以及将其提供给处理器304。输入/输 出装置312可包括本领域中所公知的任何装置，用以向控制系统300 提供输入数据以及提供偏航控制输出和倾斜控制输出。通过提供可对 一个或多个可电存取介质等进行存取的有线或无线远程连接，可将指 令从存储装置提供给存储器，该存储装置例如为磁盘、只读存储器 (ROM)集成电路、CD-ROM、 DVD。在一些实施例中，硬接线电路可 代替或结合软件指令一起使用。因此，执行指令序列不限于任何硬件 电路和软件指令的任何特定组合。传感器接口 314为容许控制系统300 与一个或多个传感器进行通信的接口。传感器接口 314可为或可包括 例如将模拟信号转换成可由处理器304使用的数字信号的一个或多个 模数转换器。在一个实施例中，传感器接口包括来自于转子速度确定 装置的信号和来自于风向标128的风速测定。使用这些类型的控制系统300容许风力涡轮机100通过使 用倾斜马达(未示出)的主动叶片倾斜控制来保持最佳恒定速度和最佳 能量捕获。然而，对于风力涡專仑机来说，如果风力涡4仑才几100的叶片 108在非最佳状态下运行，则能量捕获会受到负面影响。本文试图通 过除去可积聚在叶片108上的且尤其是在叶片108前缘150上的昆虫、 污垢和/或其它碎屑来促进最大能量捕获，而不需要停止叶片108旋 转，从而最大限度地减小了叶片结垢的影响，且减少了因维护而必须 使风力涡轮机100下线的时间量。参看图1，雨水传感器120安装在机餘102上。在备选方案 中，雨水传感器120可安装在风力涡轮机上的任何其它位置上。对于 具有许多风力涡轮机100的风场来说，单个的雨水传感器120可提供 成用于整个风场。单个的雨水传感器可定位在相应的风力涡轮机100 上，或风场内或附近的任何其它位置上。尽管对于雨水传感器的定位 可有许多选择，但将雨水传感器大致定位在风力涡轮机或风场附近容许雨水传感器精确地测量该区域的降水或雨水。雨水传感器可用硬接
线连接到控制系统300的传感器接口 314上，或雨水传感器可无线地 连接至其上。应当认识到，通过检测一个或多个变化的风力涡轮机构件 参数，本构造也可制作成无需雨水传感器，这些参数容许人们在不直 接感测雨水的情况下推断雨水的存在。这些构件可包括叶片、齿轮箱、 轴，或响应于雨水的温度或湿度。响应于风力涡轮机的这些变化的参 数或运行，控制器可推断出正在降雨且之后如本文所述地改变运行。在出现降雨时，雨水传感器感测降水，且经由传感器接口 314将信号发送给控制系统300。信息经由总线302发送至处理器304， 处理器304处理该信息，且经由输出装置312将指令发送给控制面板 112。控制面板继而提供信号来提高转子轴116的速度，从而提高叶 片108的速度。叶片108的加速提高雨水在叶片上的清洁能力。当雨 水以较高速度冲击叶片时，以及当以较高速度引导雨水经过叶片时， 雨水能够比如果不增大叶片速度而除去更多的昆虫、污垢和其它碎 屑。这尤其有利于清洁叶片的前缘150和侧面158。此外，控制面板 可将信号发送给可变叶片倾斜驱动器114，以调整叶片108的倾角。 这会改变雨水的入流角，以及增大叶片108侧面158上雨水流动的表 面积，A^而增大所清洁的叶片侧面158的面积。由于前纟彖150和侧面 158为大多数叶片结垢所出现的位置，故这是一种清洁叶片108的有 效方式。应当认识到，在备选实施例中，可响应于雨水而释》文清洁液 以进一步清洁来加强清洗。在下雨且风速较低的状况期间，叶片108速度可增大到用 于风力涡轮机正常运行的最大速度。在下雨且风速较高的状况期间， 叶片108速度可暂时增大到超过用于风力涡轮机正常运行的最大速 度。然而，叶片速度和倾斜可取决于当前条件和所需的清洁水平来变 化。在清洁处理期间，由于叶片108的速度和倾斜为清洁而非功率输出而进行了优化，故能量捕获或功率输出可能会减少。然而， 清洁处理占风力涡轮机IOO运行时间的百分比相对较小。因此，由于
可保持清洁的叶片108的最佳空气动力特性，故通过优化清洁而最大 限度地增大了正常运行期间的能量捕获或功率输出。优选的是，风力 涡轮机可备选地检测或推断叶片为干净的且之后恢复用于能量捕获 的正常运行。为了最大限度地增大风力涡4合机的能量捕获，不需要在每 次下雨时都清洁叶片。因此，可对控制系统300进行编程，以仅在自 上次清洁已过去一段时间之后才启动清洁处理。为了使其有效，控制 系统必须具有嵌入的或外接的计时机构。举例来说，风力涡轮机100定位在某一区域，在该区域， 由于环境条件，叶片108必须每月仅清洁一次来保持最佳的能量捕获。 在出现降雨时，雨水传感器120发送信号给控制系统300。在该实例 中，已经将参数输入和保存在处理器304中，使得最佳清洁应当每月 仅进行一次，或根据所期望的任何参数进行。处理器304接收来自于 雨水传感器的信号，并对其分配时间。处理器304将新近分配的时间 与上次清洁处理的时间进行核对。如果时差小于一个月，则控制系统 300就不会调整叶片108的速度或倾斜，且不启动清洁处理。相反， 如果时差等于或大于一个月，则启动清洁处理，且适当地调整叶片108 的速度和/或倾斜。尽管该实例列举的是一个月，但可选择任何适合的 时间。该时间通常通过基于该区域的环境条件来选择。作为备选，控制系统300可使得对清洁的需求基于从其它 传感器所接收到的信息，而非时间。可使用测量一定时间内的飞虫数 量或一定时间内的空气中的大微粒数量的传感器。这些传感器经由传 感器接口 314连接到控制系统300上。在昆虫或微粒达到预定水平之 前，即使出现降雨，处理器304也不会启动清洁处理。在达到预定水 平之后，在出现下次降雨时，处理器304就将启动清洁处理。应当认 识到，处理器存取逻辑，使得当存在暴风雨状况时，可进行清洁相对于可能损坏的评估。同样，处理器将确定是否应当终止清洁，以适当 地保持风力涡轮机的安全。还可使用直接监测叶片108的传感器，如摄像机等。视觉 图像可发送给处理器304，以与所储存的图像进行比较。当所传输的 图像显示出碎屑大于存储图像上所示的碎屑时，处理器304就将在出 现降雨时启动清洁处理。尽管描述了特定的传感器，但许多传感器可结合到系统中 来提供更多数据，处理器304可使用这些数据来提供适当的清洁。传 感器或来自于天气监测系统、天气预测器、风场中央监测/控制等的输 入可用于促进清洁处理。这些传感器可定位在现场或远距离地定位， 以提供对天气状况的预先通知。尤其是在很少出现降雨的环境中，使 用这些外部传感器或信息可有利于预测降雨的出现。在预测到降雨情 况时，控制系统300将使用这些输入来调整叶片108。这样一来，即 使短暂的阵雨也可提供有效的清洁。在长时间或强烈的暴雨期间，可不必延长此暴风雨期间的 清洁处理。正如通过从雨水传感器120和其它传感器所接收到的信息 所确定的那样，根据暴风雨的时间长短和强度，处理器304可使叶片 108从其清洁位置返回其最大能量捕获位置。这在处理器304确定叶 片108得到适当清洁时发生。为了进行此确定，处理器304将从相关 传感器所接收到的数据与存储的信息进行比较，以确定清洁处理的适 当长度。此外，季节变化可编程输入控制系统300中。由于空气中 的碎屑数量、降雨强度、风况和其它环境条件在一年的时期期间是变 化的，故处理器304可利用精确的参数来编程，以反映这些季节变化， 从而提供对叶片108的适当清洁，以在变化的条件下优化风力涡轮机 IOO的能量捕获。还证实了储存降水是有益的。这将容许捕获和储存雨水， 且之后在适当时间释放，以容许对叶片的最佳清洁。这对降雨在一年的时期期间不均匀地出现的地区可能特别有用。通过提供连接到控制系统300上的雨水传感器120和其它 传感器和装置，可在不需要使风力涡轮机100下线的情况下进行对风 力涡轮机100叶片108的清洁。控制系统300操作叶片108，以通过 雨水来提供最大程度的清洁，同时还最大限度地提高在一定时间内风 力涡轮机100的总体能量捕获。此外，当前的电^r可能成为控制系统的一个因素。例如， 如果在峰值功率需求的时刻出现降雨状况，当电Y介较高时，推迟清洁 可能较为有利。同样，在价格较低的时刻，即使其它参数并不要求清 洁，降雨状况也可促发清洁。尽管已参照优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人 员将会认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可做出多种改变，并 且可用其等同物代替其元件。此外，在不脱离本发明基本范围的情况 下，可做出许多修改以使特定的情势或材料适应本发明所教导的内 容。因此，期望本发明不限于作为构思成用于执行本发明的最佳方式 而公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的 所有实施例。
权利要求
1.一种用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108)的方法，包括提供围绕轴线旋转且具有可调转子速度的一个或多个叶片(108)；确定或推断是否存在降水；响应于对存在降水的确定来调整转子速度；其中，通过增大转子速度与存在降水相结合来从所述叶片(108)除去碎屑。
2. 根据权利要求1所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括所述风力涡轮机(100)具有用以改变所述叶片(108)倾斜的可变倾 斜驱动器(14);响应于对存在降水的确定，调整所述可变倾斜驱动器(114)来调整 所述叶片(108)的倾斜；其中，通过叶片(108)倾斜的变化与存在降水相结合来从所述叶片 (108)除去碎屑。
3. 根据权利要求1所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有与其进行通信的输入装置(306,308,310,312,314)的控制 系统(300);当确定降水时，在调整转子速度之前，分析从所述输入装置 (306,308,310,312,314)所接收到的输入来确定是否调整转子速度。
4. 根据权利要求1所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有与其进行通信的输入装置(306,308,310,312,314)的控制 系统(300);在调整转子速度之后，分析从所述输入装置(306,308,310,312，314) 所接收到的输入来确定是否已从所述叶片(108)除去碎屑，以及确定是否降低转子速度。
5. 根据权利要求1所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供在其中存储有信息的控制系统(300);当确定降水时，分析所述存储的信息来确定是否调整转子速度。
6. 根据权利要求1所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供在其中存储有信息的控制系统(300);在调整转子速度之后，分析所述存储的信息来确定是否使转子速 度恢复正常。
7. 根据权利要求1所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括在响应于确定存在降水而调整转子速度之后，再次确定是否存在 降水；响应于确定没有降水来调整转子速度。
8. 根据权利要求1所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括通过监测与所述风力涡轮机(1 OO)相关联的其它构件的运行来推 断是否存在降水。
9. 根据权利要求2所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有与其进行通信的输入装置(306,308，310,312,314)的控制 系统(300);当确定降水时，在调整叶片(108)倾斜之前，分析从所述输入装置 (306,308,310,312,314)所接收到的输入来确定是否调整所述叶片(108) 的倾斜。
10. 根据权利要求2所述的用于清洁风力涡轮机(100)的叶片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有与其进行通信的输入装置(306，308,310,312，314)的控制 系统(300);在调整所述叶片(108)的倾斜之后，分析从所述输入装置 (306,308,310，312，314)所接收到的输入来确定是否已从所述叶片(108) 除去碎屑，以及确定是否调整所述叶片(108)的倾斜。
全文摘要
本发明涉及风力涡轮机叶片清洁方法。具体而言，一种使用降水来清洁风力涡轮机(100)叶片(108)的方法。该方法包括确定是否存在降水。响应于对存在降水的确定，调整转子速度来提高叶片(108)速度和/或调整可变倾斜驱动器(114)来增大叶片(108)倾斜。提高叶片速度和/或增大叶片倾斜结合存在降水可有助于通过降水来从叶片(108)上除去碎屑。
文档编号F03D7/02GK101660491SQ200910172099
公开日2010年3月3日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月29日
发明者S·G·洪霍夫 申请人:通用电气公司