CN102459891B - 风力动力装置和运行风力动力装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一方面涉及一种用于运行具有涡轮叶片(2)的风力动力装置(1)的方法。该方法包括执行监测操作来确定是否在涡轮叶片上已经形成冰，以及在涡轮叶片(2)上存在冰的情况下移除冰。为了移除冰，涡轮叶片被交替地沿相反的方向驱动，使得在涡轮叶片(2)中产生振动。本发明还涉及一种设计成执行该方法的风力动力装置。

Description

风力动力装置和运行风力动力装置的方法

技术领域

本发明大体涉及风力动力装置(风车、风力涡轮机)。本发明还涉及运行风力动力装置的方法。该方法包括对风力动力装置的涡轮叶片进行除冰。

背景技术

如果冰层形成于气动本体(例如机翼或风力动力装置中的涡轮叶片)的表面上，则这将对气动本体上面的空气流有不利影响。在风力动力装置中，涡轮叶片上的冰可导致不平衡，这会降低动力装置的动力输出。如果大量的冰形成于涡轮叶片上，则可能甚至变得无法继续运行，并且必须使风力动力装置停机，直到已经从涡轮叶片上移除冰为止。当不平衡所导致的负荷变得太大时，这可对动力装置本身造成损害。还可发生的是，叶片的轮廓被以这样的方式改变：叶片不那么容易被风旋转。

在EP1377503中，已经建议用微波系统来保持空心体的一部分无冰。空心体可为风力动力装置中的涡轮叶片。冰传感器可用于这个已知的装置中。美国专利No.7057305公开了一种风力动力设备，其中在冷的季节期间可使用经加热的空气来加热转子叶片，以消除冰累积。

美国专利No.6890152公开了一种用于风力涡轮机叶片的除冰装置，其中，使涡轮叶片或其一部分振动，使得累积在风力涡轮机叶片上的冰脱落。为了使涡轮叶片振动，涡轮叶片中的各个包括一个或多个振动器。振动器包括一个或多个声波发生器，例如声波喇叭。

用于对风力动力装置的涡轮叶片进行除冰的现有技术装置在叶 片本身上需要额外的装备来执行除冰操作。此外，根据现有技术的解决方案在冰融化之前可能需要一段时间，除非它们不断地被应用。已知的解决方案还可能需要相对大量的能量来移除冰。

发明内容

本发明的一个目的是对现有技术中已知的解决方案提供备选方案。本发明的另一个目的是提供一种快速且有效的对转子叶片进行除冰的方法。这些和其它目的通过本发明的各种方面来解决，如将在下面阐述的那样。

本发明的一方面涉及一种运行风力动力装置的方法，并且更具体而言涉及一种用于对风力动力装置的涡轮叶片进行除冰(即移除已经形成于涡轮叶片上的冰)的方法。该方法可有利地包括执行来确定是否满足表示在涡轮叶片上已经形成冰的标准的初始监测操作。如果满足此标准，则对涡轮叶片执行除冰操作。监测操作可包括例如监测涡轮叶片或风力动力装置的周围的区域。备选地，监测操作可包括测量来自风力动力装置的输出以及比较实测输出与所期望的输出。期望输出可以例如风速为基础。在风速方面，如果发现来自风力动力装置的输出低于应该有的输出，则这可理解为在涡轮叶片上已经形成冰的标志。输出还可与处于涡轮叶片的给定转速的期望输出或已知与输出相关的一些其它参数进行比较。

根据本发明的一方面，除冰操作包括交替地沿相反的方向驱动风力动力装置的涡轮叶片，使得在涡轮叶片中产生振动。

在执行除冰操作之前，可以可选地转动涡轮叶片，使得在涡轮叶片的旋转所处的平面中，涡轮叶片的弯曲刚度被减小且优选减到最小。从涡轮叶片面向风所处的起始位置起，这通常意味着涡轮叶片被转动离开风向，使得涡轮叶片的面向风的面积被减小。优选地，面向风的面积被减到最小。

可选地，如果在满足表示已经形成冰的标准时涡轮叶片正在旋 转，则在执行除冰操作之前降低涡轮叶片的转速。

可选地，在执行除冰操作之前首先完全停止涡轮叶片。

在除冰操作期间，以一定频率交替地沿相反的方向驱动涡轮叶片，可选地，该频率经选择，以在涡轮叶片中产生自激振荡。

在除冰操作期间，涡轮叶片可以可选地由风力涡轮机的发电机驱动，在风力动力装置的正常运行期间该发电机由涡轮叶片，并且其中，在除冰操作期间，发电机驱动涡轮叶片。

在已经执行除冰操作之后，可以可选地对涡轮叶片进行监测，以确定在涡轮叶片上是否仍然存在冰，并且如果确定涡轮叶片足够无冰，则运行风力动力装置来产生电力。

本发明的另一方面涉及一种具有发电机和涡轮叶片的风力动力装置，涡轮叶片布置成驱动发电机，使得产生电功率。可选地，风力动力装置还可包括布置成检测是否满足表示在涡轮叶片上形成冰的标准的装备。此装备可包括布置成检测涡轮叶片上的冰的存在或风力动力装置的周围的区域中的表示涡轮叶片上的冰的状况的一个或若干个冰检测器。用于检测是否满足表示冰的形成的标准的装备不必一定包括直接检测冰的检测器。例如，风力动力装置可包括布置成测量来自风力动力装置的输出以及比较实际输出与期望输出的装备/装置。可根据例如风速、涡轮叶片的转速或之前所记录的输出的水平的平均值来确定期望输出。

根据本发明的一方面，发电机布置成能够交替地沿两个相反的方向驱动涡轮叶片。

可选地，发电机和涡轮叶片直接联接到彼此上，而无任何中间齿轮。

可选地，风力动力装置进一步包括控制单元，控制单元连接到检测器(一个或多个)上以及连接到发电机上，并且响应于来自检测器(或多个检测器)的表示一个或若干个涡轮叶片上的冰的存在的信号而使发电机交替地沿两个相反的方向驱动涡轮叶片。

在这个语境中，用语“信号”应当理解为意味着“至少一个信号”，因为当然可存在各自表示已经形成冰的许多信号。还应当理解，该用语可指多个不同的信号，在共同被评价时，该多个不同的信号表示已经形成冰。

附图说明

现在将结合附图来描述本发明的各种方面和实施例，其中：

图1示意性地显示了风力动力装置。

图2是风力动力装置的一部分的截面。

图3是涡轮叶片的截面图。

图4是本发明的各种方面的基本原理的示意图。

图5a-5b根据以上内容显示了可如何使涡轮叶片转动离开风。

图6a-6b是对应于图5a和5b的正视图。

图7是示意性地显示了根据本发明的各方面的创造性方法的操作的正视图。

图8是被冰层覆盖的涡轮叶片的截面图。

图9是对应于图8的且显示了如何对涡轮叶片进行除冰的截面图。

具体实施方式

参照图1，风力动力装置1具有可旋转地安装在支承件3(例如塔架)上的涡轮叶片2。在图1中显示的实施例中，塔架3具有机舱13，涡轮叶片2的涡轮轴可通过轴颈可旋转地安装在机舱13中。原则上，风力动力装置可具有任何尺寸。但是，在许多实际的实施例中，涡轮叶片2可具有处于10m-60m(例如15m-50m)的范围中的长度。应当理解，其中涡轮叶片2可比60m更长或比10m更短的实施例也是可行的。涡轮叶片2布置成驱动可位于机舱13的内部的发电机7。还可设想没有机舱13或其中发电机7不位于机舱13中的实施例。发电机7 可以例如EP 1327073B1中描述的方式布置。在图2中，显示了发电机7可如何设计成和布置成使得由涡轮叶片2驱动的涡轮轴4驱动发电机7的转子9。在图2中，传动轴4保持在轴承5、6中，并且涡轮轴4的最后一部分刚性地连接到转子9上。参考标号8表示定子。涡轮轴4优选刚性地连接到涡轮叶片上。这样，发电机7和涡轮叶片2直接连接到彼此上，而无任何中间齿轮，转子9刚性地跟随涡轮叶片2的运动。但是，发电机7还可以其它方式来设计。出于将阐述的原因，优选涡轮叶片2直接连接到发电机7上，而无任何中间齿轮。但是，还可构思其中在涡轮叶片2和发电机7之间存在中间齿轮的实施例。

参照图3，一个或若干个冰检测器10可有利地布置在一个或若干个涡轮叶片2的表面上或布置在该表面下。可使用这种检测器来检测涡轮叶片2的表面上的冰层12的存在。参照图1，检测器10不必一定布置在涡轮叶片2上。作为一个备选方案，检测器10可布置在包围风力动力装置1的区域中。这种检测器10(或者一组检测器10)可监测可能导致在涡轮叶片2上形成冰的一种或若干种状况。例如，检测器10可监测温度和降水量或空气湿度。如果已知温度和降水量或空气湿度的某些组合可能导致形成冰，则可利用这个来用公式表示被认为表示在涡轮叶片上形成冰的状况。这种监测可理解为冰的间接检测。作为直接检测冰的替代，检测表示形成冰的可能性增大的状况。当一个或若干个检测器10位于包围风力动力装置的区域中时，它们应当优选定位得相对靠近风力动力装置，使得它们监测的状况与涡轮叶片2上的状况相关。例如，它们可定位成距涡轮叶片2的旋转所绕着的毂500米内。

应当理解，可使用许多不同的参数来确定是否在涡轮叶片2上已经形成冰，或是否可怀疑已经形成冰。例如，可监测来自风力动力装置的输出，并且将之与处于给定风速的期望值作比较。测量风速，并且基于该风速，可使用计算或以前的经验来确定风力动力装置应当有 的输出。如果实际输出较低，则这可为在转子叶片2上已经形成冰的表示。比期望的更低的输出则可被处理成关于已经形成冰的表示。大体而言，因而可以说风力动力装置1具有布置成检测是否满足表示在涡轮叶片2上形成冰的标准的装备10、11。如果满足了此标准，则将使发电机7交替地沿相反的方向驱动转子叶片。

参照图1，风力动力装置可包括控制单元11，例如计算机。在图1中，显示了控制单元11处于机舱13和塔架3之外。在许多实际的实施例中，控制单元还可位于机舱13的内部或位于塔架3中。控制单元11可连接到发电机7上，并且布置成可能在用于测量输出的特别的测量单元或检测器10的帮助下监测来自风力动力装置的输出。

现在将参照图4来阐述本发明的各种方面的基本思想。通过一个或若干个检测器10来监测涡轮叶片2，以确定是否在涡轮叶片上已经形成冰。备选地，监测风力动力装置的周围的区域。应当理解，在图1中显示的检测器10可采取许多不同的形式。例如，检测器10可为风速检测器或温度计。虽然仅显示了一个检测器10，但是应当理解，可使用许多检测器10。当使用许多检测器时，它们还可设计成测量和/或检测不同的参数。例如，一个检测器可设计成测量温度，而另一个检测器10设计成测量和/或检测降水量，而又一个检测器10用来测量风速。单独的检测器10或测量装置还可用来测量或确定涡轮叶片2的转速。检测器10也可与发电机7和/或控制单元11集成，并且布置成测量来自风力动力装置的输出。

检测器10或多个检测器10也可为位于转子叶片2中或位于转子叶片2上的冰检测器10。美国专利No.5206806中公开了可用来检测冰的传感器的实例，并且这种传感器可与本发明结合起来使用。

如果一个或若干个检测器10表示在涡轮叶片2上已经形成冰，或者如果一个或若干个检测器10表示认为可能形成了冰的状况，则认为满足表示在涡轮叶片2上已经形成冰12的标准。应当理解，在许多实际的实施例中，当确定满足了形成冰的标准时，检测器10将 与控制单元11协作/相互作用。但是，也可行的是，操作员仅看一个或若干个检测器10而确定是否满足标准。还可构思其中仅通过对风力动力装置的直观检查来确定冰的检测的创造性方法的实施例。人类操作员可看风力动力装置，并且确定他是否相信已经形成冰。如果在看风力动力装置之后，操作员相信在转子叶片上已经形成冰，则满足了表示在涡轮叶片2上已经形成冰的标准。

如果满足此标准，则在涡轮叶片2上执行除冰操作，以从涡轮叶片上移除冰。如图4中所示意性地表示，除冰操作包括交替地沿相反的方向驱动风力动力装置1的涡轮叶片2。因此，将在涡轮叶片2中产生振动，并且这些振动将使冰离开涡轮叶片2的表面。

如图4中所表示，涡轮叶片2可能在除冰操作期间保持它们的角度定向。但是，如果在执行除冰操作之前，涡轮叶片2被转动离开风向，使得涡轮叶片2的面向风的面积减小，则可更有效地进行除冰操作。

参照图5a和图6a，在风力动力装置1的正常运行期间，通常将转动涡轮叶片2，使得它们基本上面向风，即面向风的侧较平。如果涡轮叶片在此位置上被前后驱动，则在叶片2的旋转平面中的叶片2的刚度将较高，这使得较难在涡轮叶片2中产生强的振动。

为了更容易在涡轮叶片2中产生强的振动，可在执行除冰操作之前转动涡轮叶片2，使得在涡轮叶片2的旋转所处的表面中，涡轮叶片2的弯曲刚度被减小。从涡轮叶片2面向风所处的起始位置起，这意味着涡轮叶片被转动离开风，使得涡轮叶片2的面向风的面积减小。

优选地，涡轮叶片2被转动到这种程度：在涡轮叶片2的旋转所处的平面中，涡轮叶片2的弯曲刚度被减到最小。

如果在满足表示已经形成冰的标准时涡轮叶片2正在旋转，则在执行除冰操作之前，降低涡轮叶片2的转速。优选地，在起动除冰操作之前完全停止涡轮叶片2的运动。通过在起动除冰之前减慢或停止涡轮叶片2，除冰操作将变得更有效，并且损害涡轮叶片或其它装备 的风险被降低。通常，通过使叶片变桨到顺桨(即，使叶片变桨到它们不再捕捉风的位置)，将停止涡轮叶片2。备选地，可使用单独的制动器来减慢或停止涡轮叶片2的运动。发电机7本身也可用作涡轮叶片的制动器。因此，获得了不需要单独的制动装置的优点。

在图5b和图6b中，可看到涡轮叶片2如何被转动，使得在涡轮叶片2在除冰期间被交替地沿相反的方向旋转/驱动所处的平面中它们具有最小硬度。因此，涡轮叶片2将较容易弯曲，这示意性地表示在图7中。

参照图8，可看到如何在涡轮叶片2的表面上形成冰层12。图9显示了由于交替地沿相反的方向驱动涡轮叶片2的动作在涡轮叶片2中产生的振动，涡轮叶片2如何弯曲。因此，冰块12从涡轮叶片2上挣脱，并且冰被从涡轮叶片2上移除。

原则上，可直接在已经检测到已经形成冰之后起动除冰操作。这可意味着在起动除冰操作时涡轮叶片2已经在旋转。但是，这将可能是不实际的，除非涡轮叶片以非常低的速度旋转。通常，在执行除冰操作之前必须完全停止涡轮叶片2。备选地，涡轮叶片2的旋转可减慢到非常低的水平。

当涡轮叶片2被交替地沿相反的方向驱动时，这可优选以经选择以在涡轮叶片2中产生自激振荡的频率(自然频率)来进行。这样，可在涡轮叶片2中引起自振动，使得振动变得更加有力。在各个单独的情况下，频率的选择因而可取决于涡轮叶片2的尺寸。在许多实际的实施例中，实际频率可大约为约一(1)赫兹。

原则上，涡轮叶片2可由能够交替地沿相反的方向驱动涡轮叶片的任何东西驱动。为了这个目的，可提供单独的驱动单元。但是，在本发明的优选实施例中，由发电机7执行除冰，发电机本身在风力动力装置的正常运行期间由涡轮叶片驱动。当使用发电机7来驱动涡轮叶片2时，不需要单独的驱动单元。这使得风力动力装置1成本较低以及建起来不那么复杂。

原则上，发电机7可布置成通过中间齿轮来驱动涡轮叶片2。在这种情况下，发电机7将本身优选由涡轮叶片2通过中间齿轮来驱动。但是，在本发明的优选实施例中，发电机7(与涡轮轴4一起)布置成直接驱动涡轮叶片2，而不使用任何中间齿轮。这还意味着，在正常运行期间，发电机7被涡轮叶片2和它们的涡轮轴4直接驱动，而无任何中间齿轮。这种实施例是优选的，因为如果运动方向前后快速地变化，则中间齿轮将有被损害的风险。然后发电机7布置成能够交替地沿两个相反的方向驱动涡轮叶片2。

在已经执行除冰操作之后，可监测涡轮叶片2，以确定在涡轮叶片上是否仍然存在冰12。如果确定涡轮叶片2足够无冰，则可运行风力动力装置1来产生电力。如果不是，则可执行新的除冰操作。

再次参照图1，控制单元11恰当地连接到检测器(一个或多个)10上以及连接到发电机7上。响应于来自检测器(一个或多个)10的表示在一个或若干个涡轮叶片2上存在冰的信号，控制单元11可编程为使发电机7交替地沿两个相反的方向驱动涡轮叶片2。

应当理解，检测器10的使用是可选的。这是因为可借助于人类操作员的直观检查来实现冰的形成的监测。还应当理解，控制单元11也是可选的。可构思其中人类操作员直接控制发电机7的操作的实施例。

虽然上面在方法和风力动力装置方面描述了本发明，但是应当理解，这些种类仅反映一个发明和同一发明的不同的方面。该风力动力装置设计成执行该创造性方法。同样，该方法还可包括运行风力动力装置的装备将导致的这样的步骤，即便没有明确地提到这样的步骤。

Claims (13)

1.一种用于运行具有上面已经形成冰的涡轮叶片(2)的风力动力装置(1)的方法，所述方法包括除冰操作，以从所述涡轮叶片(2)上移除冰，并且其中，所述除冰操作包括交替地沿相反的方向驱动所述风力动力装置(1)的所述涡轮叶片(2)，使得在所述涡轮叶片(2)中产生振动，其特征在于，在执行所述除冰操作之前，转动所述涡轮叶片(2)，使得在所述涡轮叶片(2)的旋转所处的平面中，所述涡轮叶片(2)的弯曲刚度被减到最小，然后在整个除冰操作期间都使得涡轮叶片维持这个位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括执行监测操作来确定是否满足表示在所述涡轮叶片上已经形成冰(12)的标准，以及如果满足此标准，则执行所述除冰操作。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，如果在满足表示已经形成冰的标准时所述涡轮叶片(2)正在旋转，则在执行所述除冰操作之前降低所述涡轮叶片的转速。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在执行所述除冰操作之前，首先完全停止所述涡轮叶片(2)。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，在所述除冰操作期间，以一定频率交替地沿相反的方向驱动所述涡轮叶片(2)，所述频率经选择，以在所述涡轮叶片中产生自激振荡。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，在所述除冰操作期间，所述涡轮叶片(2)由所述风力动力装置的发电机(7)驱动，在所述风力动力装置(1)的正常运行期间，所述发电机(7)由所述涡轮叶片(2)驱动，并且其中，在所述除冰操作期间，所述发电机(7)直接驱动所述涡轮叶片(2)，而不使用任何中间齿轮。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，在已经执行所述除冰操作之后，监测所述涡轮叶片(2)，以确定在所述涡轮叶片上是否仍然存在冰(12)，并且如果确定所述涡轮叶片(2)足够无冰，则运行所述风力动力装置(1)来产生电力。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述监测操作包括测量来自所述风力动力装置(1)的实际输出，以及比较所述实际输出与期望输出。

9.一种风力动力装置(1)，具有发电机(7)，以及布置成驱动所述发电机(7)使得产生电功率的涡轮叶片(2)，并且其中，所述发电机(7)布置成能够交替地沿两个相反的方向驱动所述涡轮叶片(2)，其特征在于，所述风力动力装置包括控制单元(11)，并且所述风力动力装置设计成在除冰操作之前转动所述涡轮叶片(2)，使得在所述涡轮叶片(2)的旋转所处的平面中，所述涡轮叶片(2)的弯曲刚度被减到最小，然后在整个除冰操作期间都使得涡轮叶片维持这个位置。

10.根据权利要求9所述的风力动力装置，其特征在于，所述风力动力装置包括布置成检测是否满足表示在所述涡轮叶片上形成冰的标准的装备(10,11)。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的风力动力装置，其特征在于，所述发电机(7)和所述涡轮叶片(2)直接联接到彼此上，而无任何中间齿轮。

12.根据权利要求9至10中的任一项所述的风力动力装置，其特征在于，所述控制单元(11)连接到所述发电机(7)和至少一个检测器(10)上，所述至少一个检测器(10)布置成检测所述涡轮叶片(2)上的冰的存在或所述风力动力装置的周围的区域中的表示所述涡轮叶片上的冰的状况，并且其中，所述至少一个检测器连接到所述控制单元(11)上，并且其中，所述控制单元(11)布置成在所述控制单元(11)接收到来自所述至少一个检测器(10)的表示在一个或若干个涡轮叶片(2)上存在冰的信号的情况下，使所述发电机(7)交替地沿两个相反的方向驱动所述涡轮叶片。

13.根据权利要求9至10中的任一项所述的风力动力装置，其特征在于，连接到所述发电机(7)上且布置成监测来自所述风力动力装置的输出的所述控制单元(11)可操作来比较实际输出与期望输出，以及在所述实际输出低于所述期望输出的情况下，使所述发电机(7)交替地沿相反的方向驱动所述涡轮叶片。