專利名稱：風力渦輪機葉片清潔方法
技術領域：
本發明大體上涉及風力渦輪機，且更具體地涉及一種用于
清潔風力渦輪;f幾葉片的方法。
背景技術：
近年來，風力渦輪機作為 一種對環境安全且相對便宜的替 代能源，受到了日益增加的關注。隨著對其關注的增長，人們已做出 了相當大的努力來研制可靠且高效的風力渦輪^L。通常，風力渦輪機包括具有多個葉片的轉子。轉子安裝在 外殼或機槍上，該外殼或機艙位于桁架式塔架或管狀塔架的頂上。公 用級風力渦輪機(即，設計成用來將電力提供到公用電網上的風力渦輪 機)可具有大型轉子(例如，直徑為30米或更大)。此外，風力渦輪機 通常安裝在高度至少為60米的塔架上。這些轉子上的葉片將風能轉 換成驅動一個或多個發電機的轉動轉矩或轉動力，發電機可通過齒輪 箱可旋轉地聯接到轉子上。齒輪箱逐步提升用于發電機的渦輪轉子固 有的低轉速，以有效地將機械能轉換成輸入到乂>用電網中的電能。風力渦輪機葉片具有不斷增大的尺寸，以便增大能量捕獲。 重要的是優化風力渦輪機的運行，包括葉片能量捕獲，以降低產能成 本。葉片的傾斜設置(即，翼型形狀的葉片沖角)提供了用于風力渦輪 機控制的一個參數。通常，控制器構造成用以通過以提供增大或減小 風能傳遞的方式調整葉片傾斜或發電機轉矩來調整轉子速度(即，轉子 圍繞其旋轉的漿轂的轉速)和/或功率輸出，相應地期望其調整轉子速 度。具有先進的控制系統的風力渦輪機通過主動的轉矩和葉片傾斜控制來保持恒定的末梢比速度(在低風速下)或功率(在高風速下)。 對于風力渦輪機來說，如果風力渦輪機的葉片在非最佳狀態下運行， 則功率的產生會受到負面影響。導致機器的次最佳性能的常見問題為 葉片結垢。葉片結垢可由多種原因引起。例如，昆蟲、污垢或其它碎 屑可積聚在渦輪機葉片的前緣或其它表面上。碎屑的累積可能會降低 風能傳遞的效率，且在一定環境下可能會因為翼片表面上的氣流分離 而最終導致空氣動力失速，從而損失效率。為了克服葉片結垢的問題， 需要進行定期維護，包括拆卸和清潔葉片。此外，為了克服葉片結垢 而進行的一些嘗試包括設置成用以適當地清潔葉片的復雜和昂貴的 設備。因此，需要一種用于清潔結垢的風力渦輪機葉片的方法，
其不需要昂貴和復雜的設備，并且不需要拆卸葉片或使風力渦輪機完
全停機。
發明內容
本文涉及一種感測降水且相應地調整葉片速度和傾斜的風 力渦輪機。本文還涉及一種清潔風力渦輪機葉片以除去可積聚于其上 的任何碎屑的方法。風力渦輪機具有圍繞轉子旋轉的一個或多個葉片，轉子的 速度是可調整的。可檢測是否存在降水的至少一個傳感器提供成與風 力渦輪機進行通信。控制器構造成用以響應來自于至少一個傳感器的 對應于是否存在降水的信號來調整轉子速度。該至少一個傳感器和該 控制器進行配合，以在存在降水的期間增大轉子速度，從而容許降水 從風力渦輪機的葉片上除去石奪屑。控制器還可構造成用以響應來自于至少一個傳感器的對應 于是否存在雨水的信號來調整葉片傾斜。該至少一個傳感器和該控制 器進行配合，以在存在降水的期間增大葉片傾斜，從而容許降水與葉 片更大的表面積相配合來從風力渦輪機的葉片上除去碎屑。[OOIO]控制器可具有控制系統，其可接收來自于構造成用以檢測 是否存在降水的至少一個傳感器及檢測其它環境條件的其它傳感器
的輸入。控制系統處理所有的輸入，且可響應于來自于至少一個傳感 器的對應于是否存在降水的信號以及來自于其它傳感器的對應于其 它環境條件的信號來指揮控制器調整轉子速度或增大葉片傾斜。用于清潔轉子速度可調的風力渦輪機的葉片的方法包括確 定是否存在降水。響應于對存在降水的確定，調整轉子速度以增大葉 片速度。增大的轉子速度與存在降水相結合有助于通過降水來將碎屑 從葉片上除去。用于清潔圍繞轉子旋轉的風力渦輪機葉片的方法包括確定 是否存在降水，該風力渦輪機具有用以控制葉片傾斜的可變傾斜驅動 器。響應于對存在降水的確定，使用可變傾斜驅動器來改變葉片傾斜。
水來將碎屑從葉片上除去。該方法還可包括具有控制系統，使得在確定降水時，在調 整轉子速度之前，控制系統分析從各個輸入裝置接收到的存儲數據或 輸入來確定是否調整轉子速度和/或是否調整葉片傾斜。此外，在已經 調整轉子速度之后和/或已經調整葉片傾斜之后，控制系統分析從各個 輸入裝置接收到的降水數據和存儲數據或輸入來確定是否進一步調 整轉子速度和/或是否進一步調整葉片傾斜。通過優選實施例的如下更為詳細地說明，并結合以舉例的 方式來對本發明的原理進行圖示的附圖，本文的其它特征和優點將更 為明顯。
圖1為風力渦輪機的示例性構造的示意圖。圖2為圖1中所示的示例性風力渦輪機構造的葉片的示意[oon]圖3為圖i中所示的示例性風力渦輪機構造的機搶的剖面
透^L圖。圖4為圖1中所示的風力渦輪機構造的控制系統的示例性 結構的框圖。只要可能，則相同的參考標號將在全部附圖中用于表示相 同或相似的零件。
具體實施例方式參看圖1,公開了一種示例性風力渦輪機100。風力渦輪機 100包括安裝在高塔架104頂上的機艙102,圖1中僅示出了塔架104 的一部分。風力渦輪機100還包括風力渦輪機轉子106，其包括附接 到旋轉漿轂110上的一個或多個轉子葉片108。在所示的實施例中， 降水或雨水傳感器120定位在機搶102上，但其它構造也是可行的， 如在渦輪機附近靠近地面高度，或在鄰近的氣象桿上。盡管圖1中所 示的風力渦輪機IOO包括三個轉子葉片108,但并不存在對可使用的 轉子葉片108數目的特殊限制。塔架104的高度是基于本領域中所公 知的因素和條件來選擇的。如圖2中所示，各轉子葉片108均具有前緣150、后緣152、 固定端154以及自由端156。側面158構造成用以提供足夠的表面積， 使得風將會與該側面158相配合來旋轉葉片108。由于可使用其它公 知的葉片構造，故葉片的該構造僅為示例性的。在一些構造中且參看圖3，多種構件收容于塔架104頂上的 機搶102中。 一個或多個樣"空制器或其它控制構件(未示出)收容在控 制器或控制面板112內。微控制器包括構造成用以提供控制系統的硬 件和軟件，該控制系統提供對整個系統的監測和控制，包括傾斜和速 度調節、高速軸和偏航制動應用、偏航和泵用電動機應用和故障監測。 在本文的備選實施例中，控制系統可為分布式控制體系，其并非僅為 了控制面板112而提供，這正如本領域的普通技術人員所認識到的那樣。控制系統將控制信號提供給可變葉片傾斜驅動器114，以控制通
過風來驅動漿轂110的葉片108(圖1)的傾斜。在一些構造中，葉片108 傾斜由葉片傾斜驅動器114單獨地進行控制。風力渦輪機的傳動系包括主轉子軸116(也稱為"低速軸")， 其連接到漿轂IIO上并由主軸承130支承，且在軸116的對置端處連 接到齒輪箱118上。主轉子軸116的轉速或轉子轉速可通過適合的儀 器或測量裝置(未示出)來測量。在一些構造中，漿轂轉速從連接至發 電機后端的高速軸上的編碼器中獲悉；以及已知的葉片長度用于確定 末梢速度。此外，轉子速度可根據高速軸或低速軸上的接近開關來確 定。此外，轉子速度可利用傳感裝置如標記的高速軸或低速軸的光學 選通(strobing)檢測來直接測量。轉子速度信息可提供給控制系統，以 提供用于確定末梢速度比的輸入。在一些構造中，齒輪箱118利用雙 通道幾何結構來驅動封裝的高速軸。高速軸(圖2中未示出)用于驅動 安裝在主機架132上的發電機120。在一些構造中，轉子轉矩通過聯 接器122來傳遞。發電機120可具有任何適合的類型例如，繞線轉 子感應發電才幾。偏航驅動器124和偏航曱板126提供用于風力渦輪機100 的偏航定向系統。風速測定提供用于偏航定向系統的信息，包括在風 力渦輪機處測得的即時風向和風速。風速測定可由風向標128提供。 風速測定的信息可提供給控制系統，以提供用于確定末梢速度比的輸 入。在一些構造中，偏航系統安裝在設置于塔架104頂上的法蘭上。在一些構造中且參看圖4,用于風力渦輪機100的示例性控 制系統300包括總線302或其它通信裝置以傳遞信息。處理器304聯 接到總線302上來處理信息，該信息包括來自于構造成用以測定位移 或力矩的傳感器的信息。控制系統300還包括隨機存取存儲器 (RAM)306和/或其它存儲裝置308。 RAM 306和存々者裝置308聯接到 總線302上，用以存儲和傳輸待由處理器304執行的信息和指令。RAM 306(并且如果需要的話還有存儲裝置308)還可用來在處理器304執行指令期間存儲臨時變量或其它中間信息。控制系統300還可包括只讀 存儲器(ROM)和/或其它靜態存儲裝置310,其聯接到總線302上，以 存儲靜態(即不變的)信息和指令以及將其提供給處理器304。輸入/輸 出裝置312可包括本領域中所公知的任何裝置，用以向控制系統300 提供輸入數據以及提供偏航控制輸出和傾斜控制輸出。通過提供可對 一個或多個可電存取介質等進行存取的有線或無線遠程連接，可將指 令從存儲裝置提供給存儲器，該存儲裝置例如為磁盤、只讀存儲器 (ROM)集成電路、CD-ROM、 DVD。在一些實施例中，硬接線電路可 代替或結合軟件指令一起使用。因此，執行指令序列不限于任何硬件 電路和軟件指令的任何特定組合。傳感器接口 314為容許控制系統300 與一個或多個傳感器進行通信的接口。傳感器接口 314可為或可包括 例如將模擬信號轉換成可由處理器304使用的數字信號的一個或多個 模數轉換器。在一個實施例中，傳感器接口包括來自于轉子速度確定 裝置的信號和來自于風向標128的風速測定。使用這些類型的控制系統300容許風力渦輪機100通過使 用傾斜馬達(未示出)的主動葉片傾斜控制來保持最佳恒定速度和最佳 能量捕獲。然而，對于風力渦專侖機來說，如果風力渦4侖才幾100的葉片 108在非最佳狀態下運行，則能量捕獲會受到負面影響。本文試圖通 過除去可積聚在葉片108上的且尤其是在葉片108前緣150上的昆蟲、 污垢和/或其它碎屑來促進最大能量捕獲，而不需要停止葉片108旋 轉，從而最大限度地減小了葉片結垢的影響，且減少了因維護而必須 使風力渦輪機100下線的時間量。參看圖1，雨水傳感器120安裝在機餘102上。在備選方案 中，雨水傳感器120可安裝在風力渦輪機上的任何其它位置上。對于 具有許多風力渦輪機100的風場來說，單個的雨水傳感器120可提供 成用于整個風場。單個的雨水傳感器可定位在相應的風力渦輪機100 上，或風場內或附近的任何其它位置上。盡管對于雨水傳感器的定位 可有許多選擇，但將雨水傳感器大致定位在風力渦輪機或風場附近容許雨水傳感器精確地測量該區域的降水或雨水。雨水傳感器可用硬接
線連接到控制系統300的傳感器接口 314上，或雨水傳感器可無線地 連接至其上。應當認識到，通過檢測一個或多個變化的風力渦輪機構件 參數，本構造也可制作成無需雨水傳感器，這些參數容許人們在不直 接感測雨水的情況下推斷雨水的存在。這些構件可包括葉片、齒輪箱、 軸，或響應于雨水的溫度或濕度。響應于風力渦輪機的這些變化的參 數或運行，控制器可推斷出正在降雨且之后如本文所述地改變運行。在出現降雨時，雨水傳感器感測降水，且經由傳感器接口 314將信號發送給控制系統300。信息經由總線302發送至處理器304， 處理器304處理該信息，且經由輸出裝置312將指令發送給控制面板 112。控制面板繼而提供信號來提高轉子軸116的速度，從而提高葉 片108的速度。葉片108的加速提高雨水在葉片上的清潔能力。當雨 水以較高速度沖擊葉片時，以及當以較高速度引導雨水經過葉片時， 雨水能夠比如果不增大葉片速度而除去更多的昆蟲、污垢和其它碎 屑。這尤其有利于清潔葉片的前緣150和側面158。此外，控制面板 可將信號發送給可變葉片傾斜驅動器114，以調整葉片108的傾角。 這會改變雨水的入流角，以及增大葉片108側面158上雨水流動的表 面積，A^而增大所清潔的葉片側面158的面積。由于前纟彖150和側面 158為大多數葉片結垢所出現的位置，故這是一種清潔葉片108的有 效方式。應當認識到，在備選實施例中，可響應于雨水而釋》文清潔液 以進一步清潔來加強清洗。在下雨且風速較低的狀況期間，葉片108速度可增大到用 于風力渦輪機正常運行的最大速度。在下雨且風速較高的狀況期間， 葉片108速度可暫時增大到超過用于風力渦輪機正常運行的最大速 度。然而，葉片速度和傾斜可取決于當前條件和所需的清潔水平來變 化。在清潔處理期間，由于葉片108的速度和傾斜為清潔而非功率輸出而進行了優化，故能量捕獲或功率輸出可能會減少。然而， 清潔處理占風力渦輪機IOO運行時間的百分比相對較小。因此，由于
可保持清潔的葉片108的最佳空氣動力特性，故通過優化清潔而最大 限度地增大了正常運行期間的能量捕獲或功率輸出。優選的是，風力 渦輪機可備選地檢測或推斷葉片為干凈的且之后恢復用于能量捕獲 的正常運行。為了最大限度地增大風力渦4合機的能量捕獲，不需要在每 次下雨時都清潔葉片。因此，可對控制系統300進行編程，以僅在自 上次清潔已過去一段時間之后才啟動清潔處理。為了使其有效，控制 系統必須具有嵌入的或外接的計時機構。舉例來說，風力渦輪機100定位在某一區域，在該區域， 由于環境條件，葉片108必須每月僅清潔一次來保持最佳的能量捕獲。 在出現降雨時，雨水傳感器120發送信號給控制系統300。在該實例 中，已經將參數輸入和保存在處理器304中，使得最佳清潔應當每月 僅進行一次，或根據所期望的任何參數進行。處理器304接收來自于 雨水傳感器的信號，并對其分配時間。處理器304將新近分配的時間 與上次清潔處理的時間進行核對。如果時差小于一個月，則控制系統 300就不會調整葉片108的速度或傾斜，且不啟動清潔處理。相反， 如果時差等于或大于一個月，則啟動清潔處理，且適當地調整葉片108 的速度和/或傾斜。盡管該實例列舉的是一個月，但可選擇任何適合的 時間。該時間通常通過基于該區域的環境條件來選擇。作為備選，控制系統300可使得對清潔的需求基于從其它 傳感器所接收到的信息，而非時間。可使用測量一定時間內的飛蟲數 量或一定時間內的空氣中的大微粒數量的傳感器。這些傳感器經由傳 感器接口 314連接到控制系統300上。在昆蟲或微粒達到預定水平之 前，即使出現降雨，處理器304也不會啟動清潔處理。在達到預定水 平之后，在出現下次降雨時，處理器304就將啟動清潔處理。應當認 識到，處理器存取邏輯，使得當存在暴風雨狀況時，可進行清潔相對于可能損壞的評估。同樣，處理器將確定是否應當終止清潔，以適當 地保持風力渦輪機的安全。還可使用直接監測葉片108的傳感器，如攝像機等。視覺 圖像可發送給處理器304，以與所儲存的圖像進行比較。當所傳輸的 圖像顯示出碎屑大于存儲圖像上所示的碎屑時，處理器304就將在出 現降雨時啟動清潔處理。盡管描述了特定的傳感器，但許多傳感器可結合到系統中 來提供更多數據，處理器304可使用這些數據來提供適當的清潔。傳 感器或來自于天氣監測系統、天氣預測器、風場中央監測/控制等的輸 入可用于促進清潔處理。這些傳感器可定位在現場或遠距離地定位， 以提供對天氣狀況的預先通知。尤其是在很少出現降雨的環境中，使 用這些外部傳感器或信息可有利于預測降雨的出現。在預測到降雨情 況時，控制系統300將使用這些輸入來調整葉片108。這樣一來，即 使短暫的陣雨也可提供有效的清潔。在長時間或強烈的暴雨期間，可不必延長此暴風雨期間的 清潔處理。正如通過從雨水傳感器120和其它傳感器所接收到的信息 所確定的那樣，根據暴風雨的時間長短和強度，處理器304可使葉片 108從其清潔位置返回其最大能量捕獲位置。這在處理器304確定葉 片108得到適當清潔時發生。為了進行此確定，處理器304將從相關 傳感器所接收到的數據與存儲的信息進行比較，以確定清潔處理的適 當長度。此外，季節變化可編程輸入控制系統300中。由于空氣中 的碎屑數量、降雨強度、風況和其它環境條件在一年的時期期間是變 化的，故處理器304可利用精確的參數來編程，以反映這些季節變化， 從而提供對葉片108的適當清潔，以在變化的條件下優化風力渦輪機 IOO的能量捕獲。還證實了儲存降水是有益的。這將容許捕獲和儲存雨水， 且之后在適當時間釋放，以容許對葉片的最佳清潔。這對降雨在一年的時期期間不均勻地出現的地區可能特別有用。通過提供連接到控制系統300上的雨水傳感器120和其它 傳感器和裝置，可在不需要使風力渦輪機100下線的情況下進行對風 力渦輪機100葉片108的清潔。控制系統300操作葉片108，以通過 雨水來提供最大程度的清潔，同時還最大限度地提高在一定時間內風 力渦輪機100的總體能量捕獲。此外，當前的電^r可能成為控制系統的一個因素。例如， 如果在峰值功率需求的時刻出現降雨狀況，當電Y介較高時，推遲清潔 可能較為有利。同樣，在價格較低的時刻，即使其它參數并不要求清 潔，降雨狀況也可促發清潔。盡管已參照優選實施例描述了本發明，但本領域的技術人 員將會認識到，在不脫離本發明范圍的情況下，可做出多種改變，并 且可用其等同物代替其元件。此外，在不脫離本發明基本范圍的情況 下，可做出許多修改以使特定的情勢或材料適應本發明所教導的內 容。因此，期望本發明不限于作為構思成用于執行本發明的最佳方式 而公開的具體實施例，而是本發明將包括落入所附權利要求范圍內的 所有實施例。
權利要求
1.一種用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108)的方法，包括提供圍繞軸線旋轉且具有可調轉子速度的一個或多個葉片(108)；確定或推斷是否存在降水；響應于對存在降水的確定來調整轉子速度；其中，通過增大轉子速度與存在降水相結合來從所述葉片(108)除去碎屑。
2. 根據權利要求1所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括所述風力渦輪機(100)具有用以改變所述葉片(108)傾斜的可變傾 斜驅動器(14);響應于對存在降水的確定，調整所述可變傾斜驅動器(114)來調整 所述葉片(108)的傾斜；其中，通過葉片(108)傾斜的變化與存在降水相結合來從所述葉片 (108)除去碎屑。
3. 根據權利要求1所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有與其進行通信的輸入裝置(306,308,310,312,314)的控制 系統(300);當確定降水時，在調整轉子速度之前，分析從所述輸入裝置 (306,308,310,312,314)所接收到的輸入來確定是否調整轉子速度。
4. 根據權利要求1所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有與其進行通信的輸入裝置(306,308,310,312,314)的控制 系統(300);在調整轉子速度之后，分析從所述輸入裝置(306,308,310,312，314) 所接收到的輸入來確定是否已從所述葉片(108)除去碎屑，以及確定是否降低轉子速度。
5. 根據權利要求1所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供在其中存儲有信息的控制系統(300);當確定降水時，分析所述存儲的信息來確定是否調整轉子速度。
6. 根據權利要求1所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供在其中存儲有信息的控制系統(300);在調整轉子速度之后，分析所述存儲的信息來確定是否使轉子速 度恢復正常。
7. 根據權利要求1所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括在響應于確定存在降水而調整轉子速度之后，再次確定是否存在 降水；響應于確定沒有降水來調整轉子速度。
8. 根據權利要求1所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括通過監測與所述風力渦輪機(1 OO)相關聯的其它構件的運行來推 斷是否存在降水。
9. 根據權利要求2所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有與其進行通信的輸入裝置(306,308，310,312,314)的控制 系統(300);當確定降水時，在調整葉片(108)傾斜之前，分析從所述輸入裝置 (306,308,310,312,314)所接收到的輸入來確定是否調整所述葉片(108) 的傾斜。
10. 根據權利要求2所述的用于清潔風力渦輪機(100)的葉片(108) 的方法，其特征在于，所述方法包括提供具有與其進行通信的輸入裝置(306，308,310,312，314)的控制 系統(300);在調整所述葉片(108)的傾斜之后，分析從所述輸入裝置 (306,308,310，312，314)所接收到的輸入來確定是否已從所述葉片(108) 除去碎屑，以及確定是否調整所述葉片(108)的傾斜。
全文摘要
本發明涉及風力渦輪機葉片清潔方法。具體而言，一種使用降水來清潔風力渦輪機(100)葉片(108)的方法。該方法包括確定是否存在降水。響應于對存在降水的確定，調整轉子速度來提高葉片(108)速度和/或調整可變傾斜驅動器(114)來增大葉片(108)傾斜。提高葉片速度和/或增大葉片傾斜結合存在降水可有助于通過降水來從葉片(108)上除去碎屑。
文檔編號F03D7/02GK101660491SQ200910172099
公開日2010年3月3日 申請日期2009年8月28日 優先權日2008年8月29日
發明者S·G·洪霍夫 申請人:通用電氣公司