CN101523047B - 用于实施风能转换系统的方法 - Google Patents
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Abstract
在以下步骤中，通过使用根据本发明的方法制成了配备有防结冰系统的风能转换系统(WECS)：a)预先布置与叶片(5)、防结冰系统、用于调整防结冰系统的装置(50，51)的风力转子；b)将预先布置的WECS的转子安装到测试地点；c)进行WECS的至少一个工作测试；d)检测对确定叶片(5)的外表面(5E)上的有无有用的参数。如果检测到的参数没有满足预定目标功能，所述方法包括附加步骤：e)通过所述调整装置(50，51)执行调整；f)重复上述步骤c)至e)直到在叶片(5)的外表面(5E)上检测不到冰为止。
Description
本发明涉及一种根据用于产生机械功或电能的安装地点实施配备有防结冰系统的风能转换系统(在下文中称作WECS)的方法。
本发明还涉及一种用于实施所述方法的装置，一种配备有所述装置的转子叶片，以及可以下载到至少一个电脑的存储器中并且包括用于执行至少一部分所述方法的计算机程序的部分的一种计算机程序产品。
上述方法尤其适于应用到如在国际专利申请WO 2004/036038中所述的设有防结冰系统的WECS中，该国际专利申请WO 2004/036038与以与本申请相同的申请者的名义申请的意大利专利申请No.TO2002A000908等效。
为了简便起见，所述国际和意大利申请的内容合并在本说明书中，并且为了进一步的细节公开的文件应当被作为参考。
然而正好指出，在以下的说明书和所附的权利要求中，术语″防结冰系统″表示通过叶片内部本身的流体流动的流出在风力转子叶片的表面上产生所谓的″除冰″和/或″防结冰″效果的任意系统。
该流体流动通过在叶片表面的至少一部分上获得的多个孔而进行，这些孔形成多种形状，并且具有这样的表面密度从而产生流体缓冲，尤其是从叶片流出的、并且适于与作用在叶片表面上的流体流动相互作用的空气缓冲。″防冰″效果具有防止在叶片表面上形成和增加冰的作用，然而″除冰″效果是用于除去在叶片上已经形成的冰。
防结冰装置可能是WECS的经济合理性的关键因素，尤其是当其安装在具有不利气候的地点时，即，叶片出现冰的可能性非常高，例如，空气具有较高湿度并且在接近0℃的温度的地点。
在风轮机叶片上出现冰取决于许多因素，这些因素被本领域技术人员限定为″问题变量″，最重要的一项是：地点或环境变量，机器变量，以及混合变量。
地点或环境变量可以再分成：
-气候变量，诸如典型的安装地点的风速，环境压力和温度，以及
-天气变量，诸如相对湿度，每体积单位的含水率，以及涉及接近风轮机的形成云的水滴的平均直径。
机器变量典型地是工作或怠速状态时机器的外表面的温度，叶片的几何参数，以及包括用于防结冰系统的额定功率和动力储备的WECS的功能参数。
混合变量是在机器和地点之间相互作用而产生的变量，例如，发生在WECS的外表面上的外部热交换的系数，在相同表面上的水提取效率和水收集效率。
地点或环境变量仅取决于WECS安装的地点的类型。
机器变量确定几何特性，诸如叶片和转子轮廓的类型和参数，以及功能特性，诸如转速、额定功率、动力控制和管理规程。
混合变量既取决于地点参数也取决于机器参数：最重要的一项是雷诺数，防结冰系统的特性，以及将供给至系统的热动力的产生和控制。
事实上，所包括的变量的数目较多使得很难独立于应用的具体的防结冰和/或除冰系统设计和制造出配备有″除冰″和/或″防结冰″系统的WECS。
当计算装机功率、被吸收的能量和防结冰系统的控制时，通常呈现出了模拟WECS大部分能量的工作状态的模型的设计和计算的复杂性，这些方面典型地是会导致所采用的方案的效率低下。这是由于这样的事实，在转子叶片上产生的冰根据天气条件以及WECS转子的转速的变化而不同，或根据依据主动控制的系统的动力控制策略的变化而不同，例如叶片的各个侧面的主动或被动失速(stall)。
客观的设计问题是以可靠的方式确定将要安装的防结冰系统的动力以及将利用所述动力的叶片表面的区域，该区域很难识别。事实上，经验显示公知系统获得的动力计算不够可靠并且效率非常低下。
上述问题表示出在防结冰和除冰系统关于其适合于WECS的不同的安装地点，即，适合于WECS的不同天气和工作条件的容量在尺寸上明确的限制。
直到申请人认识到，现有技术对于根据其工作的地点的具体环境条件实施配备有防结冰和除冰系统的WECS没有提供任何公知的方法。实际上，WECS是通过根据通常的经验参数设定防结冰系统的尺寸而进行设计的。例如，当设计防结冰和除冰系统时，为了计算从产生器中减去的以及供给至防结冰和除冰系统的热动力，通常执行通常的经验计算。实际上在没有更进一步核实的情况下，这样的动力典型地根据WECS的供应商的经验而确定。
因此在安装配备了防结冰和除冰系统的WECS之前没有进行核实，从而仅在其正常工作期间，即，设计，交货，以及完成WECS的工地安装之后，估计其效率。
还知道擅长于WECS设计的公司他们自身很少制造转子和转子叶片，这些转子和转子叶片是根据标准结构和空气动力参数计算和设计尺寸出的。当使用时，防结冰和除冰系统通常在制造出的叶片之后安装；仅偶尔几次其与叶片结构同时安装。
例如，基于与转子叶片的外表面的一部分相连的电阻的使用，存在传统的防结冰和除冰系统，该电阻仅在有限的区域中应用到最外面的叶片层上，诸如与前缘交叉处，典型地用于可变长度；该解决方案提供低效率的系统。
文献WO2004/104412涉及一种用以下步骤操作风力转子的方法：通过适当的传感器检测预定工作参数的值；检测至少一个预定初始条件；将检测到的值与工作参数的存储值相比较。还涉及一种用于实施该方法的风轮机。
文献US2005/276696描述了一种用于检测风轮机上的冰或质量不平衡的方法，该风轮机具有转子和每个都设有叶根的一个或多个转子叶片。该方法包括步骤监测与结冰条件相关的气象条件以及工作时风轮机的一个或多个工作特性，这样的特性根据一个或多个转子叶片的质量和转子叶片之间的质量不平衡中的至少一个而变化。所述方法还包括步骤使用一个或多个监测到的物理特性以确定叶片质量是否存在异常，确定检测到的气象条件是否与叶片结冰相一致，以及当确定了叶片质量存在异常并且检测到的气象条件确定为与结冰一致时发出与结冰相关的叶片质量异常信号。
本发明通过提供一种根据各个安装地点实施配备有防结冰和除冰系统的WECS的新方法克服现有技术中存在的上述问题；为了这个目的，本发明还提供了一种适于实施所述方法的转子叶片，以及可以下载到至少一个电脑的存储器中并且包括用于执行至少一部分所述方法的计算机程序的部分的一种计算机程序产品。
在该结构中，本发明的目标是提供一种实施配备有防结冰和除冰系统的WECS的方法，其可以容易地实施并且需要相对较短的实施时间。
本发明的另一目标是提供一种转子叶片，其可以容易地适应于安装WECS的地点的需要，并且当仍然保持具有良好空气动力效率轮廓的同时，其结构可以容易地，有效地并且迅速地改变。
进一步的目标是较大地增加WECS在一年中可以连续工作的天数，因此避免了仅由于叶片上结冰或即将结冰而使WECS关闭。
另一目标是确保WECS在临界工作条件的高效率水平。
本发明的另一目标是以简单，实际，连接以及有效率的方式获得上述目标。
所述目标是通过具有所附权利要求中要求的特征的用于实施WECS的方法，WECS的转子叶片，以及可以下载到至少一个电脑的存储器中计算机程序产品而实现的。
从以非限制性的示例的方式提供的以下的详细说明和附图中，本发明的更进一步地目标，特征以及优点将会变得显而易见，其中：
-图1示出了用于实施根据本发明的配备有任意防结冰和除冰系统的WECS的方法的流程图；
-图2是适于实施根据图1的流程图的方法的叶片的端部的示意性的透视图；
-图3和4分别示出了包括适于实施根据本发明的方法的接合元件的叶片的前缘的截面的放大的透视图，以及所述所述接合元件的透视图；
-图5是适于根据本发明的方法确定转子叶片的结构的计算机程序的流程图；
-图6-8示出了根据可应用到WECS的防结冰和除冰系统上的软件的三个不同的实施阶段的不同的转子叶片结构；
-图9是出了由图5的计算代码产生的输出参数的例子；
-图10示出了概要图解，其将不可渗透壁叶片的通用截面上的表面温度分布与通过使用流出技术制造处的叶片的类似截面上获得的表面温度分布相比较。
图1示出了涉及根据各个安装地点用于实施配备有防结冰和除冰系统的WECS的方法的流程图。所述方法基于以下步骤的：
a)预先布置包括叶片、防结冰系统、用于调整防结冰系统的装置的风力转子(步骤100)；
b)将预先布置的风力转子安装在试验地点上(步骤102)；
c)进行风力转子的至少一个工作测试，优选地在将安装WECS的位置出在临界结冰条件下(步骤104)；
d)检测对确定叶片上的冰存在或不存在和/或通过本领域公知的传感器用于建立诸如叶片表面上的温度和湿度在检查中的现象有用的参数(步骤106)；
e)如果检测到冰(步骤112)，通过调整装置调整防结冰系统(步骤108)；
f)重复上述步骤104、106、108和112，直到到在安装在测试地点的叶片表面上检测没有冰存在的参数为止(步骤110)。
以上限定的方法有利地允许获得适于系统用来工作的地点的具体特征的WECS的结构，尤其是由于防结冰系统的调整。
为了更好地理解上述流程图，下文说明了应用到配备有在已经参考的国际申请WO2004/036038中描述的防结冰系统的WECS。
这样的防结冰系统通过叶片内部本身的流动以及通过在叶片的外表面的至少一部分中获得的多个孔流出的流体流动的流出在风力转子叶片的表面上产生″分离结冰″和/或″防结冰″效果。
孔形成并且分布为流出的空气产生适于与作用在所述叶片的表面上的气流相互作用的流体缓冲。
参照图2，3和4，防结冰系统调整装置包括相互作用元件，其整体由参考 符号50表示，适于与转子叶片5相互作用，尤其是它们的外表面5E。在这种情况下，相互作用元件50由合成材料的板或薄片构成，适于在没有影响其空气动力场的情况下粘附到转子叶片5的外表面5E上。
此外，在提及的例子中，调整装置还包括接合元件51，即，适于坚固地接合到叶片5的外表面5E上存在的至少一些孔12中的栓形元件。
当没有被阻塞时，孔12确保流体从叶片的内部流出到外部，从而形成适于在叶片5的外表面5E上提供″防结冰″和″除冰″作用的空气缓冲。
所述板或薄片50优选地以这样的方式制造出，即，当栓51在孔12中时，他们不会显著地影响和/或改变外表面5E上的气流循环，因此确保了叶片5实质上平静的空气动力特性。
换句话说以及更一般而言地，空气排出防结冰系统的调整装置包括在实质上不改变轮廓的空气动力特性的同时适于阻碍叶片5上存在的至少一些排出孔12的本领域公知的任意元件，装置或工具。
因此，例如，防结冰系统调整装置可以仅由接合元件51构成，以喷射到孔12中并且然后凝固的树脂形式存在，因此填充孔12并且为转子叶片5的外表面5E提供连续性。之后，如果需要，所述树脂还可以从孔12中除去，例如通过本领域公知的机械操作和/或化工工艺。
参照图1，根据如上所述的本发明的方法的更多细节如下。
通过使用计算机计算程序进行步骤100和102，为了预先设置环境条件，例如条件是冰的特别的临界值，最初限定孔12的形状，尺寸和表面密度。
以这样的方式，产生样品叶片5或″主″叶片5(步骤100A)，其可以在当安装在WECS中时，在理论模拟环境条件中工作；例如，在叶片5上的冰存在的最临界状态，叶片的所有孔打开并且通过孔12排出的空气质量最大。
一旦限定了″主″叶片5，通过输入将安装WECS的地点的变量执行计算代码；然后计算代码将输出通过调整装置，即，通过相互作用元件50和/或通过接合元件51，必须阻碍″主″叶片5的多少孔12和哪个孔12。所述相互作用元件50和/或接合元件51的应用后跟随有根据该方法的步骤104的防结冰系统测试。
参照步骤112，相互作用元件50和/或接合元件51的形状和/或位置根据获得的实验结果而改变。例如，相对于流动到叶片5的空气，该接合元件51从观察到冰的附近的那些孔12中除去，和/或从位于观察到冰的区域的上游的那些孔 12中除去。
随后的地点测试或将确认″主″叶片5的结构或将示出需要将其改变，从而通过在调整装置，即，相互作用元件50和/或接合元件51上的作用可以很容易地改变相同的结构；有利地，该调整可以用最小的资源进行。
例如，在现场试验期间，在阻碍的外表面5E上可能产生冰，相对于拍击″主″叶片5的气流，因此使得需要打开在所涉及区域中被阻碍的孔12和/或其上游的孔12。
同样，可能出现需要阻碍在不结冰的区域中的另外的孔12，由此获得产生较高的热含量从而流动到更容易产生冰的区域中的其它孔12中的优点，因此增加了防结冰的效果。
因此，即使假定应用计算代码，该代码没有限定表示多少孔12和哪个孔12将被阻碍的最佳解决方案的参数，调整装置，即，如上所述和图示的相互作用元件50和/或接合元件51的使用，证明了执行根据本发明的方法的有效性和简单性。事实上，所述调整装置显然可以很容易并且很廉价地制造出，限定形状，定位并且应用到叶片5的外表面5E上。
当根据其安装地点提供防结冰系统的实际和有效的调整的同时，尤其是通过叶片5适当的准备时，该方法的实施因而是简单的，相对廉价并且可变形的。
有利地，当不需要通过叶片5上的流动获得″除冰″和″防结冰″时同时通过孔12阻碍气流的同时，根据本发明的方法允许保存配备有接合元件51的叶片5的流体动力特性，因此增加了从最容易结冰的区域，诸如，例如，叶片截面的前缘其全长的2/3至3/4的区域排出的空气的热含量。因此，在最需要防结冰效果的那些区域中，空气外流将具有较高的能量和较高的速度。
本发明的另一个优点是WECS关闭时间的确定性的消除，典型地由于清除累积在转子叶片5上的固体残留物的需要。
简而言之，根据本发明的方法的实际的执行仅需要两个工具：1)″主″叶片5和2)适于限定转子叶片5和任意调整装置，相互作用元件50和/或接合元件51的结构的计算代码。
有利地，对于选择使用表面空气排出技术表示防结冰系统的例子。尤其是叫做RIMETech的，使用通过适当的电脑执行的名为TREWICE的计算代码或程序。TREWICE程序受益于空气排出分配转子叶片5的外表面5E的位置和特征。 更特别地，一旦分配了地点变量和转子变量(机器和混合变量)，其确定在叶片5的外表面5E上的孔12的数目和分布，以及流出空气的流体动力参数，诸如质量流量，温度和压力。
代码然后执行防结冰系统的预先设定尺寸，并且特别是转子叶片5，因此允许发现通过热风排出应当涉及的叶片5的那些区域。
根据本发明的方法，因此获得的叶片5然后运输至地点并且应用到风力转子上。为了估计与设定尺寸参数的有效性，然后测试组合的风力转子一段时间。如果冰出人意料地在不受保护的区域中产生，即，通过孔12没有提供流出保护，通过从一些孔12上除去密封采取必要的措施是可能的。用这样的方式，在叶片5上获得新的孔12的结构，其然后将接受进一步的测试。
如在下文中更好的描述和详细说明，计算代码，尤其是程序TREWICE的使用，有利地将在工地上的调整减少至很小的程度。在图5中示出和描述了计算密码，尤其是程序TREWICE的流程图。
程序TREWICE根据风轮机预置的大气压和工作条件计算风轮机叶片5的外表面5E的温度。
外表面5E上的温度分布可以用于计算可渗透或防渗透壁，即，用于实心壁或可流出孔壁。根据预先选择的具体防结冰策略，温度值分配给叶片5的每个点。该策略可以为截取的轮廓的水的完全蒸发作准备，否则用于将其在整个外表面5E上保持在液态。
对于防渗透壁，即，没有空气流出通孔12的存在，计算代码或程序计算将外表面5E保持在通过防结冰策略规定的温度条件中所需的在叶片5内部的通道中循环的空气的流动速率和所述空气的温度。
对于可渗透壁，即，空气流出通孔12存在，计算代码计算叶片5内循环的空气的流动速率以及在外表面5E的某些点中排出的空气的流动速率和热力-流体动力条件。为了在叶片5的外表面5E上形成空气缓冲以及为了将其保持在规定的温度条件，这样的排出是需要的。
通过还考虑从叶片5流出的空气的流动速率和其条件，计算出叶片5的外表面5E上质量和热量的平衡。还通过规定孔12的几何特性确定这些附加的作用，其事实上确定关于流出空气的流出条件，速度，压力和焓。质量平衡和热量流动的结果提供了叶片5的局部的外部温度。在这一点上，为了更新流出系 统的特征，即，孔12的分布和几何形状，流量和温度，开始迭代的、半自动的、演变类型的最小化程序。
迭代过程包括将目标函数最小化，其可以是基于叶片5的流动速率，温度，以及孔12的数目和密度的成本函数。
更详细地，计算代码包括以下的结构模块，其通过软件代码部分执行。
仍然参照图5，所述结构模块的第一部分为转子叶片的可渗透壁和防渗透壁的计算共有，并且包括：
·设计目标的分配(步骤201)，输入参数是：
ο防结冰策略的分配，例如，所谓的″运转湿″策略，其确定在湿表面上的计算
ο外表面的最小温度
ο成本函数最小化
·外界环境条件的分配(步骤203)，输入参数是：
ο外部空气静压
ο外部空气静温
ο风速分布图(平静的)
οWeibull的形状参数
οWeibull的比率参数
ο外部空气含水率
ο外部空气相对湿度
ο平均水滴尺寸
ο温度，含水率和平均水滴尺寸结果的合成概率
·涡轮的功能和工作特性的分配(步骤205)，输入参数是：ο每一风速的转速
ο起动速度
ο截止速度
ο动力曲线
ο发电机效率
ο间距和转速缓和曲线
ο叶片数目
·叶片几何形状的分配(步骤206)，输入参数是：
ο长度
ο叶片轮廓的类型
ο平面图(作为半径的函数的弦的分布，轮廓厚度的分布)
ο作为半径的函数的冲角
ο作为半径的函数的耦合角
ο作为半径和弦的函数的壁厚
ο内部布置
ο材料
ο不可磋商的几何约束
所述结构模块的第二中间部分也是对转子叶片的可渗透壁和防渗透壁的计算共有的，并且包括：
·几何离散化的确定(步骤207)
·叶片轮廓周围的运动区域的确定(步骤209)
·撞击轮廓的水的量以及变湿区域的程度的确定(步骤211)。
此时，计算代码使用所述结构模块的第三中间部分，其取决于计算是关于转子叶片可渗透或不可渗透的壁而不同。
对于可渗透壁(步骤215)，所述第三部分包括：
·孔的尺寸和表面分布的分配(步骤216)，输入参数是：
ο孔开始径向位置
ο孔的行数
ο孔的总数
ο孔径
ο沿半径的空间关系
ο沿曲线坐标的空间关系
ο主要加热空气流速
ο主要加热空气压力
ο主要加热空气温度
·流向壁的流出加热质量的确定(步骤217)
·流向壁的质量和热量的确定(步骤219)
·通过用演化的算法(步骤223)将功能最小化的流出系统的特征的更新(步骤 221)。
对于不可渗透壁(步骤213)，所述第三部分包括作为替代的：
·流向壁的质量和热量的确定(步骤214)
最后，所述结构模块还包括第四部分，其再次对转子叶片的可渗透壁和不可渗透壁的计算是通用的，所述第四部分包括：
·防结冰热量流动的计算(步骤225)
·系统设计参数的产生(步骤227)
通过计算代码产生的输出参数至少为以下的：
·孔的总数
·孔径
·孔的表面分布
·通过孔的空气流速
·主要热空气流速
·供给压力
·供给温度
·外部叶片表面上的温度分布
·热动力
更详细地，计算代码根据以下再分成几个级别的一体的程序帮助设计空气流出防结冰系统。
级别1)
对通过某一工业生产采用的所有类型的叶片5执行计算代码，该工业生产典型地利用轮廓的族，例如，五-数字NACA或SERI轮廓，并且在一些参数上彼此几何学上不同，例如叶片长度，翘曲，沿半径的厚度分布。每个这些叶片5形成通常地由两三个叶片组成的一个组，其产生结合某些功能条件的风力转子，诸如转速和每一转速的轮廓冲角。
当还包括对于冰存在的极端临界值的环境条件的可能的组被输入和分配时，计算代码产生将叫做目标功能的某一功能最小化的孔12的系统的特征。
对于每个WECS，每个转子的特征在于流出系统的叶片5的一组主要几何设计参数，诸如直径，分布和孔12的数目。这些几何形状被固定并且表示对适于多个地点的防结冰系统的最好的妥协。例如，计算代码允许获得孔12的直径 的通用值，其可能比叶片5的前缘大并且向叶片5的后缘减小，并且一排排孔12离得很远，即，减少了孔密度。
计算代码还提供了用于流出空气的温度范围以及将允许将采用该系统至具体的大气条件的流速范围。
级别2)
基于级别1的结果，为每个转子制造″主″叶片5，即，可以确保即使在最临界值的环境条件下也将没有冰产生的叶片。取决于叶片5中所需的热动力和空气供给压力，所述″主″叶片5设有具有由计算代码限定几何特性的孔12。在这一点上，可以利用适于在各个安装地点中不同的大气条件的有孔的叶片5的族。
级别3)
对于需要某一风轮机安装在具体地点的通用的工作顺序，需要检验可利用的大气资料的质量。如果这样的资料是非常精确的，对于细节项目将再次使用计算代码，尤其是TREWICE程序。本将导致对于具体的情况限定″主″叶片5将与孔12预先布置的区域，即，对于WECS将工作的具体的位置。特别地，计算代码识别构成在级别1)中限定的一般特征的子集的防结冰系统的几何和功能特征。因此，通过密封一些孔12和留下其它的孔12打开将预先布置″主″叶片5。如果没有地点资料可以利用，将会省略掉级别3)并且″主″叶片5与尽可能常规的结构一起将发送到地点。
级别4)
为了评估预设定尺寸参数的有效性，在级别3)中预先布置的叶片5被应用到WECS的转子上并且就地测试一段时间。如果在计算代码提供无流出保护的区域中存在冰，可能通过除去一些封条就地进行必要的措施，因此使得空气流出。如将在下文详细说明的，如果相关的表面示出物理条件典型地表明没有结冰的风险，密封一些孔12也是可能的。
首先，叶片沿其长度再分成梯形(keystones)，每个梯形都备有用于检测冰的风险的特别的系统。所述系统包括位于叶片的外表面上的一对天气传感器，特别是温度传感器和雨传感器。更特别地，两个传感器可以彼此靠近的紧固到叶片上，相对于在工作状态下拍击叶片的流体流动的孔12的上游，优选地靠近对应的轮廓的前缘。同样，传感器还可以布置为被出自所述孔以及其它的上游孔的热流动拍击。
在该系统中，为了发送冰的可能风险，或表示当冰完全不会产生，传感器连接到可以处理由传感器供给的信息的控制器上。例如，在转子叶片的现场试验期间，当温度传感器显示温度T≥Tcr以及雨传感器显示表面上存在水滴时，或当T≤Tcr并且雨传感器没有显示水滴的存在时，进行该后来的估计。Tcr表示临界阈值温度以确定在该对传感器的上游表面上存在冰的可能性。该温度基于考虑到结冰情况(薄冰或霜)以及使用的温度传感器的读出精确度的风险分析而设定。例如，Tcr的保守值可以是3℃，而较小的保守值可以进一步下降为1℃。
因此，当以上情况发生时，可能阻碍以前打开的孔12，因此在实验上引起了适应根据本发明的方法的叶片的进一步的可能性。
重要的是指出，由于传感器靠近流体流动的前缘，即，在压力最高处，如果在该区域中没有结冰情况存在，他们也不会在整个梯形中存在，从而某一梯形的所有孔可以打开。
有利地，包括用于检测结冰的风险的两个表面传感器的系统的存在在纵向叶片截面应当加强，其中已经认识到在该处结冰的风险较高，典型地在2/3至3/4的整个叶片长度的截面中。
级别5)
在级别4)步骤的结尾，建立了配备有预先设定的防结冰系统的某一WECS的叶片5的限定的结构并且适于其具体的安装地点或根据具体的安装地点而定制。于是制造最终叶片5现在变得可能或根据如上的级别3和级别4改编″主″叶片变得可能。
该方法的实施例的实际例子
以下是根据本发明的方法的实施例的实际例子，更特别地，通过经历如上所述的各个步骤级别，通过计算代码，特别地程序TREWICE，实施该方法的一部分。
特别地，以下列出了具有各自的数值和单位的、分配给计算代码的输入参数。
设计目标的分配(步骤201)
·防结冰策略的分配：″运行变湿″
·外表面的最小温度：+1℃
·将成本函数最小化：目标F＝min(Ta，Test＞Tmin)
外部环境条件的分配(步骤203)：
·外部空气静压：10,000Pa
·外部空气静温：271K
·风速分布(平静的)：0-20m/s
·Weibull的形状参数(K)：1.6(无尺寸的)
·Weibull的比例参数(C)：8m/s
·外部空气含水率：0.4g/m3
·外部空气相对湿度：0.98(无尺寸的)
·平均水滴尺寸：20μm
涡轮的功能和工作特性的分配(步骤205)：
·每一风速的转速：ω＝f(V)，以Hz计量
·起动时的速度：Vcut，in，以m/s计量
·额定速度：Vrated，以m/s计量
·截止速度：Vcut，out，以m/s计量
·功率曲线：P＝f(V)，以Watt计量
·发电机效率：ηel＝f(ω)(无尺寸的)
·间距和转速缓和曲线：β＝f(ω，P)，以度计量
叶片几何形状的分配(步骤206)：
·长度：30m
·叶片轮廓的类型：NACA 4414xx＝f(R)
·作为半径的函数的弦的俯视分布：C＝f(R)，以米计量
·轮廓厚度的俯视分布：t/c＝f(R)，以米计量
·作为半径的函数的冲角：α＝f(R)，以度计量
·作为半径的函数的耦合角：θ＝f(R)，以度计量
·作为半径和弦的函数的壁厚：sp＝f(R，s/c)，以m计量
·内部布置：内部尺寸
·材料和各自的物理特性：GFRP(玻璃钢)
·不可协商的几何约束：按规定
根据用于热流体动力学和在两相流体存在时结合的热交换计算的公知的程序计 算防结冰系统的特性(步骤216)，例如：
·孔的行数：压力表面5，真空表面3
·孔的总数：2,250
·孔开始的径向位置：80(空间的)
·孔径：0.01m
·沿半径的空间关系：0.1m
·沿曲线坐标的空间关系：0.1m
·主要加热空气流速：1kg/s
·主要加热空气压力：101,700Pa
·主要加热空气温度：315K
图6示出了根据级别2的处理获得的″主″叶片5的组成的概略图，即，在考虑到根据级别1处理的不同结构后。
″主″叶片5的结构的特征在于沿叶片长度截取的在叶片5的不同位置存在的孔12(由空白圆圈表示)的某些分布，密度和直径以及在各个压力和真空侧上叶片5的轮廓的弯曲的横坐标的不同的值。在此所展示中，为简单起见省略了将不变地重复的几个位置。因为示出的叶片是″主″叶片，结构中的所有孔12没有阻塞。
图7示出了根据级别3实施通过计算代码修改的上述″主″叶片结构的概略图，即，考虑到了具体位置的环境参数。应当注意，与″主″叶片不同，示出为实心圆圈的位置80至100中的孔被阻塞。
图8示出了当基于位置参数通过计算代码建议的进行修改时的叶片实际测试和就地检验时，通过执行级别4的处理而获得的可能的″主″叶片的最终结构。
图9示出了输出参数，即，根据级别3的可能的最终实施结构的叶片5的最终实施参数，如图7所示，还通过了规定在不同位置中孔12的总数。
·孔径：0.01m
·孔的表面分布，其中简称″S.P″表示压力表面以及简称″S.D″表示真空表面：
ο位置179-180→S.P.
ο位置179-180→S.D.
ο位置178→S.P.
ο位置178→S.D.
ο位置177→S.P.
ο位置177→S.D.
ο位置174-176→S.P.
ο位置174-176→S.D.
ο位置102-174→S.P.
ο位置102-174→S.D.
ο位置101→S.P.
ο位置101→S.D.
·孔的总数：26(179-180)+21(178)+17(177)+32(174-176)+936(102-174)+12(101)＝1,044
·孔开始的径向位置：101
·沿半径的空间关系：0.1m
·沿曲线坐标的空间关系：0.1m
·主要加热气体流速/叶片：0.7Kg/s
·主要加热气体压力：102,000Pa
·主要加热空气温度：310K
最后，图10示出了概要图解，其将由实线表示的不可渗透壁叶片的通用截面上的表面温度分布与由虚线表示的通过使用名为RIMETech的流出技术制造处的叶片的类似截面上获得的表面温度分布相比较。应当注意，流出技术有利地允许将外部叶片表面变成对-等温，尤其地在涉及上部轮廓的前缘的临界点中具有0℃的温度并且下游温度分布示出了总在0℃以上但低于与不可渗透表面上的相同位置相对应处的温度。
该最佳化将供给至流体的热动力最小化，因此也将使用根据本发明的系统的WECS的生产费用最小化。缓和了用于产生对-等温所需的热动力和排出流体温度，因此在不需要从由WECS产生的热动力减去附加的热动力的情况下，有利地允许仅使用由位于WECS中的发电机损耗的热动力。
很明显，本领域技术人员可以构思可应用到上述根据本发明的方法或转子叶片上的一些变化，包括用来实施所述方法的相互作用和/或接合元件；同样地，也非常明显，在本发明的实际实施中，在此图解的细节可以具有不同的形状或可以由技术上相等同的进行替换。
例如，根据本发明的方法可以采用按需要再现的天气条件通过测试叶片5而实施，而不是在实际安装地点，在人为准备的测试地点，特别地根据安装地点中存在的条件。
作为替换，叶片5和WECS可以按比例再现，并且所有的测试都可以在适当的设定尺寸的测试设备或风力通道中进行。有利地，当通过使用根据本发明的方法实施WECS时，这些解决方案将提供额外的成本和时间的节约，因为在最后安装之前将不再需要将WECS和其叶片带至安装地点，用于将叶片适应地点的处理完全在风力通道中进行。
Claims (1)
1.一种实施风能转换系统的方法，包括步骤：
a）预先布置包括叶片（5）、防结冰系统、用于调整防结冰系统的调整装置（50，51）的风力转子；
b）安装预先布置的风力转子；
c）在要安装风能转换系统的位置的基本上临界结冰条件下，进行风力转子的至少一个工作测试；
d）通过适当的传感器检测对确定叶片（5）上的冰的存在有用的恰在叶片表面上的参数；
e）如果检测到结冰，通过调整装置调整防结冰系统；
f）重复上述步骤a）-e），直到表明在安装到测试地点上的叶片表面上没有冰存在的参数被检测到为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a）包括用于配置防结冰系统和用于限定调整装置（50，51）的计算。
3.根据权利要求2所述的方法，其中基于与风能转换系统用来工作的地方的地点变量相关的数据进行所述计算。
4.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中步骤a）包括用于限定具有某一防结冰系统结构的样本或主叶片的操作，所述结构基于冰出现的最临界地点条件计算。
5.根据上一权利要求所述的方法，其中，一旦限定了主叶片（5），通过估计与风能转换系统安装地点相关的地点参数限定所述防结冰系统调整装置（50，51）的结构。
6.根据上一权利要求所述的方法，其中相互作用元件（50）和/或接合元件（51）与转子叶片（5）的外表面（5E）相连。
7.根据权利要求6所述的方法，应用到通过在转子叶片（5）的外表面（5E）的至少一部分上获得的多个孔（12）流出流体的除冰或防止结冰系统上，所述孔（12）这样提供从而由从叶片（5）流出的流体产生空气缓冲，这样的空气缓冲适合于与拍击外表面（5E）的流体流动相互作用。
8.根据上述权利要求7所述的方法，其中相互作用元件（50）或接合元件（51）与所述多个孔（12）一起工作，从而阻碍空气从所述孔（12）向外流。
9.根据上一权利要求所述的方法，其中通过所述调整装置（50，51）的防结冰系统的调整包括阻碍所述多个孔（12）的至少一部分的、至少一些所述相互作用元件（50）或所述接合元件（51）的改变。
10.根据上一权利要求所述的方法，其中在步骤c）的现场试验后在位于检测到结冰的区域附近的那些孔（12）上进行通过所述调整装置（50，51）的防结冰系统的调整。
11.根据上一权利要求所述的方法，其中相对于拍击叶片（5）的外表面（5E）的空气的运动，在检测到结冰的区域上游的孔（12）上进行通过所述调整装置（50，51）的防结冰系统的调整。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中步骤d）包括用于检测结冰的风险的操作，如果发现这样的风险很遥远，则为了打开所述多个孔（12）的至少一部分，改变至少一些所述相互作用元件（50）或所述接合元件（51）。
13.根据上一权利要求所述的方法，其中通过使用包括从包括温度传感器，湿度传感器，压力传感器和雨传感器的组中选择出的一对天气传感器的检测系统进行用于检测结冰的风险的操作，所述传感器彼此接近地位于叶片的外表面上并且相对于在工作状态中拍击叶片的流体流动位于孔（12）的上游的，接近叶片的轮廓的前缘，所述传感器这样定位从而它们不会被出自孔（12）的热流动拍击。
14.根据上一权利要求所述的方法，其中当温度传感器读到温度T ≥ Tcr并且雨传感器显示在表面上存在水滴时，或当T ≦ Tcr并且雨传感器检测到没有水颗粒时，进行结冰的风险的估计，其中Tcr表示确定这对传感器下游的表面上结冰的可能性的临界阈值温度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中通过考虑测试和安装地点的变量，相对于风能转换系统的机器变量，以及混合变量，即，取决于天气和机器条件二者的变量，进行用于配置防结冰系统和用于限定用于调整所述防结冰系统的调整装置（50，51）的操作。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在测试空间或风通道中，进行根据步骤c）的风能转换系统的工作测试，风能转换系统按比例模型提供。
17.根据权利要求2或7所述的方法，包括步骤：
· 设计目标的分配；
· 场地条件或户外环境条件的分配；
· 涡轮的功能和工作特性以及叶片（5）的几何形状的分配；
· 叶片（5）的几何形状的离散化的确定；
· 围绕叶片（5）的翼型的运动领域的确定；
· 与叶片（5）的轮廓碰撞的水的量的确定以及变湿区域范围的限定；
· 执行关于防渗透壁的操作，包括步骤：
- 向壁的质量流动和热量流动的确定；
- 防止结冰热量流动的计算；
- 与不可渗透叶片表面壁相关的防结冰系统设计参数的限定；
· 与可渗透壁相关的操作的执行，即，空气从叶片（5）的外表面（5E）流出的情况下，包括步骤：
- 孔（12）的尺寸和表面分布的分配；
- 流向壁散热质量的确定；
- 向壁的质量流动和热量流动的确定；
- 流出系统的特征的更新，即，通过将目标函数最小化而分配孔（12）的新的尺寸和表面分布；
- 防止结冰热量流动的计算；
- 与叶片（5）的可渗透外表面壁（5E）相关的系统设计参数的限定。
18.根据上一权利要求所述的方法，其中通过使用演化算法实施用于更新流出系统的特征的操作，即，通过将目标函数最小化进行的孔（12）的新的尺寸和表面分布的分配。
19. 根据权利要求1所述的方法，对确定叶片（5）上的冰的存在有用的恰在叶片表面上的参数是叶片表面上的温度和湿度。
20.一种配备有防结冰系统的风能转换系统的转子叶片，其特征在于包括用于实施根据权利要求1-19中任一所述的方法的防结冰系统调整装置（50，51）。
21.根据上一权利要求所述的转子叶片，其中所述调整装置包括与转子叶片（5）的外表面（5E）相连的相互作用元件（50）和/或接合元件（51）。
22.根据权利要求20或21所述的转子叶片，其特征在于所述相互作用元件（50）和/或接合元件（51）阻碍设在转子叶片（5）的外表面（5E）上的至少一些孔（12）。
23.根据上一权利要求所述的转子叶片，其特征在于所述相互作用元件（50）和/或接合元件（51）包括使用适于在一些孔（12）中牢固地接合的栓（51），适于粘附到转子叶片（5）的外表面（5E）上的板或薄片。
24.根据权利要求22所述的转子叶片，其中所述接合元件（51）包括树脂，该树脂注射到孔（12）中然后固化，因此填充一些孔（12）并且为转子叶片（5）的外表面（5E）提供连续性。
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