CN104136771B - 风力涡轮机和确定在叶片本体上冰层存在和/或厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机，其包括细长的叶片本体和用于检测在叶片本体上的冰层的系统，所述系统包括：用于发射光束的光源；分光型光学元件，其光学地连接到光源以便接收从光源发射的光束，所述光学元件适于将从光源接收的光束分解为参考光束和检测光束；边界区域，其设置在叶片本体处以便暴露于叶片本体的外部环境，并且所述边界区域光学地连接到分光型光学元件以便接收检测光束、将检测光束的内部被反射部分在边界区域处反射、将检测光束的传输部分通过边界区域传输到叶片本体的外部环境、以及允许检测光束的传输部分的已从叶片本体的外部被反射的外部被反射部分通过边界区域再次传输；以及光测量装置，其光学地连接到分光型光学元件以便接收参考光束、检测光束的内部被反射部分、以及检测光束的外部被反射部分，其中光测量装置配置成分析被接收光并且取决于所述分析来确定在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度。

Description

风力涡轮机和确定在叶片本体上冰层存在和/或厚度的方法

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，如具有叶片并且具有冰检测系统的风力涡轮机。

背景技术

在风力涡轮机于寒冷天气中操作期间，冰可能由于水在寒冷表面上冻结而在风力涡轮机叶片的表面上形成。冰在表面上的积累能够导致不良后果。例如，由于冰的积累而导致的风力涡轮机叶片的轮廓变化降低机翼的升阻比，这能够导致风力涡轮机的转速减小。当这种情况发生时，风力涡轮机不能获得最优速度，并且风力涡轮机的效率降低。此外，在风力涡轮机叶片上积累的冰的重量将会给叶片增加重量并且将会引起叶片上的应力。这可能导致叶片中的应力失效。

除了目视检查之外，还已做出多种尝试以检测冰在叶片上的形成或积累。一种尝试是使用电磁辐射(例如红外线)以便通过例如以红外光照射积累的冰来检测冰的存在，并且将反射光与在无冰积累的表面处反射的光相比较以确定冰的积累。然而，这样的尝试不能精确地确定冰的存在和厚度。在另一种尝试中，系统使用从发射装置发射并且由接收器接收的光束以检测冰，冰由于存在于发射装置和接收器之间的冰对光束造成的扰乱而被检测到。在所述尝试中，发射装置和接收器的固定件扰乱叶片的空气动力学特性并且降低叶片的效率。

本发明目的在于提供一种用于检测在风力涡轮机叶片上的冰的系统，所述系统减少或避免以上所述的缺点。

发明内容

本发明提供一种风力涡轮机，其包括叶片和连接到叶片并且能够绕轴线旋转的轮毂。叶片具有细长的叶片本体，所述叶片本体沿纵向轴线延伸并且具有在叶片本体的一个纵向端部处的叶根和在叶片本体的另一个纵向端部处的叶尖。叶片本体经由叶根连接到轮毂。叶片本体还具有前缘和后缘，所述前缘和后缘均从叶根延伸到叶尖。后缘与前缘沿叶片本体的翼展方向隔开。叶片本体还具有从前缘延伸到后缘并且从叶根延伸到叶尖的上蒙皮和下蒙皮。下蒙皮与上蒙皮沿叶片本体的厚度方向隔开。风力涡轮机还具有用于检测在叶片本体上的冰层的系统。所述系统包括用于发射光束的光源，以及分光型光学元件，其光学地连接到光源以便接收从光源发射的光束。分光型光学元件适于将从光源接收的光束分解为参考光束和检测光束。边界区域设置在叶片本体处以便暴露于叶片本体的外部环境并且光学地连接到分光型光学元件以便接收检测光束。边界区域设置成将检测光束的内部被反射部分在边界区域处反射、将检测光束的传输部分通过边界区域传输到叶片本体的外部环境、以及允许检测光束的传输部分的已从叶片本体的外部被反射的外部被反射部分通过边界区域再次传输。所述系统还包括光测量装置，所述光测量装置光学地连接到分光型光学元件以便接收参考光束、检测光束的内部被反射部分、以及检测光束的外部被反射部分。光测量装置配置成分析被接收光并且取决于所述分析来确定在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度。

风力涡轮机允许精确地确定在风力涡轮机叶片上形成的冰层。这有助于防止冰层的积累，从而有助于维持风力涡轮机的效率。

边界区域可以包括单一边界表面或可以包括使检测光束至少部分地传输和/或被反射的另外的边界表面。

根据本发明的一个方面，所述分析包括测量被接收光的光谱属性以获得被接收光的光谱数据并且将已获得的光谱数据转换为代表在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度的数据。这有助于容易并且精确地执行所述分析。

根据另一个方面，将光谱数据转换为代表在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度的数据包括对光谱数据执行傅立叶变换。这有助于以容易的方式精确地执行所述分析。

根据另一个方面，所述分析包括将光谱数据与预定冰厚度的预定光谱数据相比较以确定在叶片本体上的冰层的厚度。这有助于以容易的方式精确地执行所述分析。

根据另一个方面，测量装置包括用于将被接收光根据其波长分解的光谱分解元件和用于测量被接收光的取决于其波长的强度的传感器阵列，用以测量被接收光的光谱属性，其中被接收光的取决于其波长的强度代表光谱数据。这有助于容易并且精确地执行所述分析。

根据另一个方面，边界区域设置在叶片本体处以便允许检测光束的传输部分的已从叶片本体的外部被反射的第一外部被反射部分和第二外部被反射部分通过边界区域再次传输。

根据另一个方面，代表被转换的光谱数据的图表包括针对特定厚度的至少一个强度峰值，其中冰层的厚度能够取决于强度峰值出现处的厚度来确定。这允许以容易的方式确定冰层的厚度并且从而确定冰层的存在。

根据另一个方面，分光型光学元件经由发光光导件光学地连接到光源。这有助于以容易的方式连接所述光学元件和光源。

根据另一个方面，边界区域经由检测光导件光学地连接到分光型光学元件。这有助于以容易的方式连接分光型光学元件和边界区域。此外，可以提供另外的检测光导件，其中所述检测光导件将检测光束引导到边界表面，并且所述另外的检测光导件将检测光束的被反射部分引导回到分光型光学元件。

根据另一个方面，边界区域是检测光导件的轴向端部。这有助于以容易的方式形成边界区域。

根据另一个方面，光测量装置经由测量光导件光学地连接到分光型光学元件。

根据另一个方面，边界区域的面向外部环境的表面与叶片本体的上蒙皮或下蒙皮齐平。这防止边界区域对风力涡轮机叶片的表面造成任何干扰，这有助于维持风力涡轮机叶片的空气动力学性能并且因此有助于维持风力涡轮机叶片的效率。

根据另一个方面，边界区域设置在叶片本体的前缘处。这将允许确定在冰层最有可能形成的前缘处的冰层形成以便使得能够快速且早期地检测冰层形成。

根据另一个方面，边界区域设置在沿前缘与叶尖相距从叶根到叶尖的长度的基本上三分之一的距离处。这将允许确定冰层在风力涡轮机叶片的冰层最能影响风力涡轮机叶片的效率的部分处的存在。这有助于维持风力涡轮机的效率。

根据另一个方面，分光型光学元件包括至少两个三角形棱镜，每个棱镜具有基部，其中两个棱镜在其基部处互相接触以形成与从光源发射的光束成角度的棱镜界面，其中从光源发射的光束在到达所述棱镜界面后分解为参考光束和检测光束。

根据另一个方面，分光型光学元件包括设置成与从光源发射的光束成角度的半镀银镜，其中从光源发射的光束在遇到所述半镀银镜时分解为参考光束和检测光束。这使得能够以容易的方式将从光源发射的光束分解为参考光束和检测光束。

根据另一个方面，分光型光学元件是50/50分光器。这令从光源发射的光束平均分解为参考光束和检测光束。

根据另一个方面，光源发射白光。这有助于非常精确地执行所述分析以确定冰层的厚度，因为白光具有宽光谱的波长，这有助于精确地测量冰层的厚度

根据另一个方面，光导件中的至少一个包括光纤线缆。

根据另一个方面，光测量装置包括光谱仪。

根据另一个方面，边界区域包括第一和第二边界表面。第二边界表面与第一边界表面隔开。这两个表面光学地连接到分光型光学元件。第一边界表面面向叶片本体的外部环境。第二边界表面适于接收来自分光型光学元件的检测光束、反射检测光束的第一内部被反射部分、以及传输检测光束的第一传输部分。第一边界表面适于接收第一传输部分、将检测光束的第二内部被反射部分朝向第二边界表面反射、将检测光束的第二传输部分传输到外部环境、以及接收检测光束的第二传输部分的外部被反射部分。

将边界区域设置成具有两个或更多的边界表面可以有助于保护风力涡轮机叶片的内部。这在检测光束由检测光导件引导到边界区域的情况下是特别有利的，因为在检测光导件的端部处的第二边界表面和/或检测光导件可以被保护不受外部来源的污染。在上下文中，边界区域可以包括具有形成第一边界表面和第二边界表面的两个相反表面的基材。

本发明提供一种用于确定在风力涡轮机的叶片本体上的冰层的存在和/或厚度的方法，所述方法包括以下步骤。例如利用光源的协助来产生光束，以及例如利用分光型光学元件的协助来将光束分解为参考光束和检测光束，所述分光型光学元件光学地连接到光源和边界区域，其中检测光束的内部被反射部分在边界区域处被反射，检测光束的传输部分通过边界区域传输到叶片本体的外部环境，检测光束的传输部分的外部被反射部分通过边界区域再次传输。所述方法还包括以下步骤：接收参考光束、检测光束的内部被反射部分和/或检测光束的外部被反射部分，分析被接收光，以及取决于光谱数据来确定在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度。所述方法允许精确地确定在风力涡轮机的叶片本体上形成的冰层的厚度。

附图说明

在附图中，相同附图标记一般在所有图中涉及相同部件。附图不一定按比例绘制，相反的是一般将重点放置于展示本发明的原理。在以下的具体实施方式中，本发明的各种实施方式参考以下附图来描述，其中：

图1示出风力涡轮机的常规配置；

图2示出风力涡轮机叶片的实施方式的立体图；

图3示出图2中的风力涡轮机叶片的局部的立体图；

图4示出风力涡轮机的系统的实施方式的立体图；

图5示出在图4中示出的系统的示意图；

图6示出所述系统的处理器的实施方式的示意图；

图7示出已从系统获得的光谱数据；

图8示出通过图7的光谱数据的变换来转换的数据；

图9示出具有光束的光路的边界区域的第一实施方式的详细视图；

图10示出边界区域的第二实施方式；

图11示出用于检测在风力涡轮机叶片上形成的冰层的存在和/或厚度的方法的实施方式的流程图；

图12示出图11中的方法的分析步骤的流程图；

图13示出图12中的方法的转换步骤的流程图；以及

图14示出图13中的方法的另一个分析步骤的流程图。

具体实施方式

以下的具体实施方式涉及附图，所述附图通过展示的方式示出使本发明的可以实施的特定细节和实施方式。这些实施方式以足够细节来描述以使得本领域中的技术人员能够实施本发明。可以利用其它实施方式，并且可以在结构、逻辑、以及电气方面进行变化而不脱离本发明的保护范围。各种实施方式不一定彼此排斥，因为一些实施方式能够与一个或多个其它实施方式相结合以形成新的实施方式。

图1示出风力涡轮机10的常规配置，所述风力涡轮机包括转子叶片或风力涡轮机叶片20，所述风力涡轮机叶片具有用于检测冰层在风力涡轮机叶片20上的积累的系统。风力涡轮机10安装在基部12上。风力涡轮机10包括具有多个塔架区段的塔架14。风力涡轮机机舱16放置在塔架14的顶部上。连接到机舱16的风力涡轮机转子包括能够绕轴线旋转的轮毂18和至少一个风力涡轮机叶片(例如三个风力涡轮机叶片20)。

风力涡轮机叶片20连接到轮毂18，所述轮毂继而通过低速轴(图1中未示出)可旋转地连接到机舱16，所述低速轴自机舱16的前部伸出。低速轴耦连到用于产生电力的发电机(图1中未示出)。

当风吹动风力涡轮机叶片20时，风力涡轮机叶片20与轮毂18一起绕轴线旋转，连接到轮毂18的低速轴旋转以驱动发电机产生电力。

图2示出本发明的风力涡轮机叶片20的示例性实施方式。如图2所示，风力涡轮机叶片20具有沿纵向轴线106延伸的细长的叶片本体100。叶片本体100具有在叶片本体100的一个纵向端部处的叶根102和在叶片本体100的另一个纵向端部处的叶尖104，叶根102连接到风力涡轮机10的轮毂18(参见图1)，叶尖104是叶片本体100的自由端部。叶片本体100具有垂直于叶片本体100的纵向轴线106的翼形横截面(参见图3)，靠近叶根102处的横截面积大于靠近叶尖104处的横截面积，叶片本体100的叶根102附近处的横截面积沿纵向轴线106向叶尖104减小。叶片本体100具有基本上从叶根102延伸到叶尖104的前缘108(首先接触风的边缘)和基本上从叶根102延伸到叶尖104的后缘110(风离开叶片时所在的边缘)，所述后缘与前缘108沿叶片本体100的翼展方向隔开。风力涡轮机叶片20具有在叶片本体100上的边界区域230，边界区域230是用于检测冰层的系统200的一部分(参见图3)，所述冰层可能在风力涡轮机叶片20上的边界层上方形成。

如图3所示，叶片本体100具有在叶片本体100内的翼梁112，翼梁112基本上沿叶片本体100的长度从叶根102处或从叶根附近处延伸到叶尖104处或延伸到叶尖附近处(尽管在图3中仅示出翼梁112的长度的一部分)以给叶片本体100提供结构强度和完整性。如图3所示，叶片本体100的形状由外壳114形成，所述外壳接附到翼梁112。如图3所示，外壳114具有翼形横截面。外壳114由上蒙皮116和与上蒙皮116沿叶片本体100的厚度方向隔开的下蒙皮118形成，从而使得上蒙皮116和下蒙皮118在其间限定出空间119。翼梁112可以包括基本上沿叶片本体100的厚度方向从上蒙皮116延伸到下蒙皮118的平行板。上和下蒙皮116、118两者都从前缘108延伸到后缘110。上蒙皮116形成叶片本体100的翼形轮廓的吸附表面120，下蒙皮118形成叶片本体100的翼形轮廓的压力表面122(图3中未示出)。因此，吸附表面120和压力表面122沿厚度方向彼此隔开。图3还示出设置在叶片本体100上的边界区域230，特别是边界区域的暴露于叶片本体的外部环境的被暴露边界表面。边界区域230可以设置在上蒙皮116和/或下蒙皮118处。如图3所示，边界区域230的被暴露边界表面与叶片本体100的蒙皮齐平。边界区域230可以连接到检测光导件226，所述检测光导件可以连接到用于发射检测光束的光源210(图3中未示出)以检测在边界区域230的被暴露边界表面上方形成的冰层，所述冰层将会在下文中得到解释。

由于风力涡轮机叶片20切割空气，因此与沿压力表面122行进的空气相比较，沿吸附表面120行进的空气具有较高的速度。作为结果，压力表面122上的压力大于吸附表面120上的压力。压力方面的差异引起升力或力大致沿叶片本体100的厚度方向施加到压力表面120上。升力或力使风力涡轮机叶片20位移并且继而使风力涡轮机叶片20在(机舱16的)轴线周围并且绕轴线旋转。

图4示出本发明的用于检测在叶片本体100上形成的冰层300的系统200的示例性实施方式。所述系统200包括光源210。分光型光学元件220光学地连接到光源210。分光型光学元件220可以经由发光光导件212连接到光源210。边界区域230光学地连接到分光型光学元件220。边界区域230设置在叶片本体100处以便暴露于叶片本体100的外部环境。边界区域230可以经由检测光导件226连接到分光型光学元件220。光测量装置240光学地连接到分光型光学元件220。光测量装置240可以经由测量光导件242连接到分光型光学元件220。

边界区域230可以经由回光光导件(return light guide)244或替代地经由检测光导件226连接到光测量装置230。

图5示出在所述系统200中的各部件之间行进的光路的示意图。光源210将光束214发射到分光型光学元件220。分光型光学元件220接收从光源210发射的光束214并且将从光源210接收的光束214分解为参考光束222和检测光束224。参考光束222可以利用反射镜(图4中未示出)和/或经由光导件来被反射到光测量装置240中。检测光束224朝向边界区域230传输。边界区域230接收检测光束224、将检测光束224的内部被反射部分228(内部被反射光束)在边界区域230处被反射、以及将检测光束224的传输部分232通过边界区域230传输到叶片本体100的外部环境中。内部被反射部分228可以朝向分光型光学元件220传输。边界区域230允许检测光束224的传输部分232的已由反射性表面(例如冰层300的外表面)反射的外部被反射部分234从叶片本体100的外部通过边界区域230再次传输。外部被反射部分234(外部被反射光束)朝向分光型光学元件220传输。光测量装置240接收参考光束222、内部被反射部分228、以及外部被反射部分234；分析形成例如被接收光束236的被接收光，所述被接收光束包括例如参考光束222、内部被反射部分228、以及外部被反射部分234；以及取决于如将会在下文中得到解释的所述分析来确定在叶片本体100上的冰层300的存在和/或厚度。

光源210为所述系统200发射光束214。从光源210发射的光束214经由发光光导件212传输到分光型光学元件220。由光源210发射的光束214可以具有宽光谱或多个波长或单一波长。从光源210发射的光束214可以包括白光、红外光或不同波长的其它光(例如彩色光)。白光的波长的范围可以从700纳米到1350纳米、800纳米到1250纳米、900纳米到1150纳米。光源210可以包括一个或多个发光二极管(LED)、超辐射LED、多模激光二极管(MLD)以及等同方案。白光可以用于确定冰层300的存在和/或厚度，这是因为白光由于其宽光谱而提供对叶片本体100上的冰层300的厚度的更精确的测量。此外，可以设置附加的光源。

分光型光学元件220适于经由发光光导件212接收从光源210发射的光束214，并且适于将来自光源210的光束214分解为参考光束222和检测光束224。分光型光学元件220可以适于将光束214以50/50比例分解，由此来自光源210的光束214可以分解为占光束214的大致50％的参考光束222和占光束214的大致50％的检测光束224。尽管来自光源210的光束214以50/50比例分解，但是其它分解比例(例如60/40、70/30)也是可能的。分光型光学元件220可以包括50/50的分光器。分光型光学元件220可以包括至少两个三角形棱镜，每个棱镜具有基部，其中两个棱镜在它们的形成棱镜界面的基部处彼此接触。来自光源210的光束214从一侧进入棱镜中的一个，并且成角度地(例如与界面成基本上45°角)到达棱镜界面，光束214可以在所述棱镜的基部相遇的棱镜界面处分解为参考光束222和检测光束224。分光型光学元件220可以包括与光束214的路径成角度地放置(例如与路径成基本上45°角)的半镀银镜，由此来自光源210的光在光束214到达镜面之后可以分解为参考光束222和检测光束224。分光型光学元件220接收来自边界区域230的内部被反射部分228和外部被反射部分234，并且可以将所述内部被反射部分和所述外部被反射部分与参考光束222合并以形成被接收光束236并且将被接收光束236发射到光测量装置240。

如图2和3所示，边界区域230，特别是边界区域230的被暴露边界表面，可以设置在叶片本体100处。边界区域230可以在上蒙皮116和/或下蒙皮118上形成，从而使得边界区域230的被暴露边界表面与叶片本体100的上蒙皮116或下蒙皮118齐平。如图2和3所示，边界区域230可以设置在叶片本体100的前缘108处，其中冰层300趋向于在叶片本体100的叶片20与迎面风相遇处的前缘108处积累。边界区域230可以设置在蒙皮116、118的需要检测冰的任何部分上。边界区域230可以设置在与叶尖104相距大约从叶根102到叶尖104的长度的基本上三分之一的距离处(参见图2)，冰层300可能在该处形成并且对风力涡轮机叶片20的性能产生最大影响。

光测量装置240可以连接到用于接收被接收光束236的分光型光学元件220，所述被接收光束可以包括参考光束222、内部被反射部分228、以及外部被反射部分234。光测量装置240可以包括用于将被接收光束236根据其波长(即光谱)分解的光谱分解元件(例如棱镜)(图4中未示出)，以及传感器阵列(例如多个光敏光电二极管)，以接收并且测量被接收光束236的取决于其波长的强度以测量被接收光束236的光谱属性(例如波长、在特定波长处强度)，所述被接收光束可以包括参考光束222、内部被反射部分228、以及外部被反射部分234。被接收光的取决于其波长的强度可以代表光谱数据。光测量装置260可以包括光谱仪。

如图6所示，所述系统200还可以包括连接到光测量装置240的计算装置270。计算装置270可以加载有程序272以确定冰层的厚度300。程序272可以包括与冰层300的不同厚度有关的预定数据的数据库274。预定数据可以包括冰层300的不同厚度的反射率相对于波长的曲线。

图7示出冰层300的特定厚度的典型厚度曲线900。程序272可以包括用于将光谱数据转换为代表冰层300的存在和/或厚度的数据(代表性数据)(例如作为厚度曲线的函数的强度)的算法276(例如快速傅立叶变换算法)，以确定冰层的厚度300。

如图8所示，代表性数据可以包括强度相对于冰厚度的图表920，从而使得冰层的厚度300可以通过在相应厚度处的强度峰值930来识别出。计算装置270获得来自光测量装置240的光谱数据(例如强度、波长)并且将已获得的光谱数据转换为代表确定在叶片本体100上的冰层300的存在和/或厚度的数据(代表性数据)。将光谱数据转换为代表性数据可以通过对光谱数据进行傅立叶变换(如快速傅立叶变换(FFT))来执行。被转换的光谱数据(即代表性数据)包括针对特定厚度的至少一个强度峰值930，其中冰层的厚度300能够被确定为强度峰值930出现处的厚度。

参照图4和5，所述系统200可以包括用于将检测光束224聚焦到预定位置上或用于将检测光束224引导成与边界区域230成特定角度的透镜。透镜可以设置成邻近边界区域230并且在叶片本体100内。透镜还可以在叶片本体100内在检测光导件226的轴向端部与边界区域230之间设置在轴向端部处。透镜可以是边界区域230的一部分。在任何情况下，透镜可以设置成沿朝向叶片本体100的外部环境的方向引导检测光束224通过边界区域230。

系统200可以包括光导件保持件204(参见图3)，所述光导件保持件支撑检测光导件226、将光导件226在叶片本体100内定位成邻近边界区域230、并且将光导件226保持在位。光导件保持件204可以在叶片本体100内接附到叶片本体的蒙皮116、118并且通过常规手段(例如螺固、卡扣)紧固到蒙皮116、118。

光导件212、226、242、244可以包括光纤线缆。光纤线缆可以是单模或多模的光纤线缆。与单模相比较，多模芯光纤线缆由于其较大的芯尺寸而具有较高的色散率并且能够处理850纳米(利用LED)和1300纳米(利用激光)的波长。单芯光纤线缆需要更昂贵的激光作为光源并且能够处理1310和1550纳米的波长。检测光导件226可以从轮毂18中的光源210通过叶根102和叶片本体100的空间119延伸并且延伸到边界区域230。如图3所示，检测光导件226可以在翼梁112内延伸并且通过翼梁112延伸并且延伸到边界区域230。

边界区域230可以是检测光导件226的轴向端部，所述检测光导件可以是例如被暴露边界表面。边界区域230可以替代地包括用于发射检测光束224的传输部分232的发射器(图中未示出)和用于接收外部被反射部分234的接收器(图中未示出)。发射器可以设置成邻近于接收器。发射器和接收器可以分别光学地连接到检测光导件226和回光光导件244。发射器和接收器可以作为单一单元或模块制成，由此发射器和接收器之间的距离被固定。单一光导件可以用于替代检测光导件226和回光光导件244。然而，接收器与发射器的接近程度可以取决于设计需求来改变。

图9示出边界区域230和在检测冰层300期间由相应光束采用的路径的示例性实施方式的详细视图。如图9所示，冰层300在叶片本体100上积累。冰层300具有面向叶片本体100的第一侧和在冰层300的另一侧或相反侧上的背向叶片本体100的第二侧(另一侧)。第二侧与外界环境的空气接触。边界区域230的第一边界表面252(例如边界区域230的被暴露表面)与冰层300的第一侧接触。第一边界表面252接收检测光束224并且将检测光束224的传输部分232通过边界区域230的第一边界表面252传输到叶片本体100的外部环境并且传输到冰层300中。外部被反射部分234可以具有至少第一外部被反射部分234a和第二外部被反射部分234b。第一外部被反射部分234a在冰层300的第二侧254处被反射。冰层300的第二侧254将传输部分232的第一外部被反射部分234a朝向边界区域230反射回并且将传输部分232的另外的传输部分238传输到空气中。传输部分232可以在其进入冰层300时被折射并且偏离检测光束224的原始方向。另外的传输部分238可以作为第二外部被反射部分234b被空气中的颗粒物850朝向冰层300的第二侧254反射。冰层300的第二侧254接收第二外部被反射部分234b并且将第二外部被反射部分234b朝向边界区域230传输。第一边界表面252允许检测光束224的传输部分232的已从叶片本体100的外部被反射的第一外部被反射部分234a和第二外部被反射部分234b通过边界区域230再次传输。尽管仅有两个外部被反射部分234a、234b被示出，但是可以存在已在冰层300内被反射并且被反射到边界区域230中的更多的被反射部分。仅有两个被反射部分234a、234b被示出以简化对所述系统200的解释。

如图10所示，边界区域230可以包括基材280，基材280例如可以是常规透明基材或透镜。基材280包括第一边界表面252和与第一边界表面252隔开的第二边界表面282，所述第一边界表面可以是例如边界区域230的被暴露表面。第一边界表面252设置成在基材280上与第二边界表面282相反。第一边界表面252可以面向叶片本体100的外部环境并且可以与叶片本体100的蒙皮116、118齐平。第二边界表面282可以面向检测光导件226并且可以邻近于检测光导件226的轴向端部和/或与检测光导件的轴向端部直接接触。基材280具有第一和第二边界表面252、282，所述第一和第二边界表面可以跨过检测光导件226的轴向端部延伸，从而使得检测光导件226的轴向端部可以由基材280覆盖。检测光导件226由基材280覆盖防止尘土和异物进入叶片本体100的内部。此外，例如当被用作冰检测算法中的参考特征时，基材280可以影响冰厚度的确定。

第二边界表面282接收来自检测光导件226的检测光束224并且将检测光束224的第一内部被反射部分228反射远离第二边界表面282，所述第一内部被反射部分对应于在前实施方式的内部被反射部分228。第二边界表面282将检测光束224的第一传输部分294朝向第一边界表面252传输。第一边界表面252将第二内部被反射部分296朝向第二边界表面282反射并且将第一传输部分294的第二传输部分232传输到冰层300中，所述第二传输部分对应于在前实施方式的传输部分232。如图10所示，第二传输部分232在进入冰层300时被折射，可以发生第二传输部分232的多次反射。如上所述，边界区域230通过第一边界表面252接收外部被反射部分234并且将外部被反射部分234朝向且通过第二边界表面282传输并且将其传输到回光光导件244中。单一光导件可以用于替代检测光导件226和回光光导件244。

在任何情况下，检测光束224或传输光部分232、294分别相对于第二边界表面282和第一边界表面252的入射角不应当大于临界入射角，以便防止在基材280或冰层300内的全反射，在这种情况下，没有光被传输到边界表面252、282的外部。在图10中，第一传输部分294在基材280内朝向法线286(即垂直于冰层300和基材280的第二边界表面282且与检测光束224入射到第二边界表面282上的点交叉的直线)的折射，指示出检测光导件226的折射率小于基材280的折射率。检测光束224远离法线的折射将会指示出第二边界表面282的折射率将会大于基材280的折射率。类似效果在第一边界表面252处出现，检测光束224的第二传输部分232在所述第一边界表面处进入冰层300。基材280可以是透明的并且可以由玻璃或塑料形成或包括玻璃或塑料。玻璃可以硼硅酸盐玻璃(例如)。

参照图5，所述系统200可以包括模拟到数字(A/D)转换器单元。A/D转换器单元可以连接到光测量装置240，用以将来自光测量装置240的模拟信号转换为数字信号，以使得测量结果能够由计算装置270读取。

如图11所示，为检测叶片本体100上的冰层300的存在和/或确定其厚度，使用以下方法。

在步骤S10中，光束214被产生。光束214可以由光源210产生。

在步骤S20中，被产生的光束214例如利用光学地连接到边界区域230的分光型光学元件220来分解为参考光束222和检测光束224。边界区域230接收检测光束224，将检测光束224的内部被反射部分228反射回分光型光学元件220并且将检测光束224的传输部分232通过边界区域230传输到叶片本体100的外部环境。当存在叶片本体100上的冰层300时，检测光束224的传输部分232的第一外部被反射部分234a朝向边界区域230反射，另外的传输部分238通过冰层300传输。另外的传输部分238作为第二外部被反射部分234b朝向冰/空气界面254被反射、回到冰层300中、以及通过边界区域230。检测光束224的传输部分232的包括第一和第二外部被反射部分234a、234b的外部被反射部分234通过边界区域230再次传输。

在步骤S30中，检测光束224的参考光束222、内部被反射部分228、和/或外部被反射部分234例如由光测量装置240来接收。

在步骤S40中，被接收光例如由光测量装置240的处理器270来分析。

在步骤S50中，在叶片本体100上的冰层300的存在和/或厚度取决于光谱数据来确定。

图12示出用于分析被接收光的方法的流程图，所述方法可以于在前方法的步骤S40中执行。

在步骤S62中，被接收光的光谱属性例如由光测量装置240来测量，以获得被接收光的光谱数据。

在步骤S64中，已获得的光谱数据被转换为代表叶片本体100上的冰层300的存在和/或厚度的数据(代表性数据910)。

图13示出转换光谱数据的方法的流程图，所述方法可以在图12中示出的方法的步骤S64中执行。

在步骤S642中，光谱数据的转换通过对光谱数据执行傅立叶变换来执行。

图14示出转换光谱数据的方法的流程图，所述方法替代地可以在图12中示出的方法的步骤S64中执行。

在步骤S66中，光谱数据与预定冰厚度的预定光谱数据相比较以确定在叶片本体100上的冰层300的厚度。

当传输部分232进入冰层300时，所述传输部分由于边界区域230和冰层300之间的折射率方面的差异而被折射。除被折射之外，传输部分232也在冰层300内被反射。传输部分232的折射和反射引起在传输部分232的波长和路径长度方面的变化。当另外的传输部分238也在空气中被折射并且被空气中的颗粒物反射时，另外的传输部分238的外部被反射部分的波长和路径长度再次变化。那些光束的波长和路径长度方面的变化引起那些光束之间的相位差异。如图9所示，内部被反射部分228、包括第一外部被反射部分234a和第二外部被反射部分234b的外部被反射部分234在边界区域230内(例如在第一和/或第二边界表面252、284处)、在冰层300处、以及因此在空气中被反射并且被折射。被反射部分228、234通过边界区域230被反射回并且合并为被接收光束236。当被反射部分228、234被合并时，被接收光束236的强度可以由于每个光束的相位偏移或被反射部分228、234之间的相位差异而降低或升高，并且每个光束的波长发生变化。相位差异令被接收光束236具有取决于冰层的厚度300的独特光谱。根据对被接收光束236的独特光谱的分析，冰层的厚度300能够被确定。如图7所示，光谱能够被绘制为曲线900，例如反射率相对于波长的曲线，并且经验性光谱曲线910可以被固定以预定或预绘制各种冰层厚度的曲线900以确定冰层的厚度300。如图9所示，经验性光谱曲线910也可以使用例如快速傅立叶变换来变换为相对值(例如强度相对于冰厚度的图表)，其中识别强度峰值使得能够从图表中读出冰层的厚度300。

在本发明的另一个实施方式中，所述系统200可以包括用于发射光束214的光源210，以及设置在叶片本体100上且光学地连接到光源210的边界区域230。光测量装置240光学地连接到边界区域230。所述系统200包括光学Y形线缆，所述Y形线缆具有在线缆的一端处的单一端部和在线缆的另一端处的双端部，其中双端部具有第一和第二端部。边界区域230可以在单一端部处光学地连接到光源210，光源210可以光学地连接到Y形线缆的第一端部，光测量装置240可以光学地连接到Y形线缆的第二端部。因此，Y形线缆构成光学元件220和/或作为光学元件工作。光束214从光源210发射并且传输到边界区域230。在如上所述的光束214的反射和折射之后，内部被反射部分228和外部被反射部分234被引导到光测量装置240。如上所述，光测量装置240接收被反射部分228、240并且将光束228、240的被测量光谱属性转换为经验性谱线和可读数据以确定冰层300的厚度并且因此确定冰层的存在。

光源210、分光型光学元件220、以及计算装置270可以定位在轮毂18或机舱16中(由图4中的框204标出)。各部件可以定位在风力涡轮机10的其它部分中并且不限于当前布置。例如，计算装置270可以定位在轮毂18或塔架14中。

所述系统的优点在于，由于没有电气部件用在风力涡轮机叶片20中，因此降低风力涡轮机10或风力涡轮机叶片20受到雷击的风险。此外，还防止来自雷击的电磁干扰。利用不仅识别出冰形成的存在而且识别出冰层300的厚度的局部冰检测系统，除冰技术能够更有效率地施展。在经济方面而言，在风力涡轮机10上形成的冰导致增加的负载和生产要素的损失。因此，用于除冰的有效的冰检测将会降低风力涡轮机负载和生产要素损失。在维护方面而言，由于所述系统200的主要部件能够放置在轮毂18或机舱16中，因此与其在叶片本体100上的情况下相比，更易于维持所述部件。

尽管本发明已参考特定实施方式特别地示出并且描述，但本领域中的技术人员应当理解的是，可以在其中形成在形式和细节方面的各种变化而不脱离本发明的如由所附权利要求限定的精神和保护范围。

因此，本发明的保护范围由所附权利要求指示出，其适于囊括存在于权利要求的等同方案的意义和范围内的所有变化。

Claims (21)

1.一种风力涡轮机，其包括：

轮毂，其能够绕轴线旋转；

细长的叶片本体，其沿纵向轴线延伸并且具有在叶片本体的一个纵向端部处的叶根和在叶片本体的另一个纵向端部处的叶尖，其中叶片本体经由叶根连接到轮毂；

前缘和后缘，两者均从叶根延伸到叶尖，后缘与前缘沿叶片本体的翼展方向隔开；

从前缘延伸到后缘并且从叶根延伸到叶尖的上蒙皮和下蒙皮，下蒙皮与上蒙皮沿叶片本体的厚度方向隔开，

用于检测在叶片本体上的冰层的系统，所述系统包括：

用于发射光束的光源；

分光型光学元件，其光学地连接到光源以便接收从光源发射的光束，所述光学元件适于将从光源接收的光束分解为参考光束和检测光束；

边界区域，其设置在叶片本体处以便暴露于叶片本体的外部环境，并且所述边界区域光学地连接到分光型光学元件以便接收检测光束、将检测光束的内部被反射部分在边界区域处反射、将检测光束的传输部分通过边界区域传输到叶片本体的外部环境、以及允许检测光束的传输部分的已从叶片本体的外部被反射的第一外部被反射部分和第二外部被反射部分通过边界区域再次传输；

光测量装置，其光学地连接到分光型光学元件以便接收参考光束、检测光束的内部被反射部分、以及检测光束的外部被反射部分，其中光测量装置配置成分析被接收光并且取决于所述分析来确定在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述分析包括测量被接收光的光谱属性以获得被接收光的光谱数据并且将已获得光谱数据转换为代表在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度的数据。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中将光谱数据转换为代表在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度的数据包括对光谱数据执行傅立叶变换。

4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机，其中所述分析包括将光谱数据与预定冰厚度的预定光谱数据相比较以确定在叶片本体上的冰层的厚度。

5.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机，其中测量装置包括用于将被接收光根据其波长分解的光谱分解元件和用于测量被接收光的取决于其波长的强度的传感器阵列，用以测量被接收光的光谱属性，其中被接收光的取决于其波长的强度代表光谱数据。

6.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中代表被转换光谱数据的图表包括针对特定厚度的至少一个强度峰值，其中冰层的厚度能够取决于强度峰值出现处的厚度来确定。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中光学元件经由发光光导件光学地连接到光源。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中边界区域经由检测光导件光学地连接到光学元件。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中边界区域包括检测光导件的轴向端部。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中光测量装置经由测量光导件光学地连接到光学元件。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中边界区域的被暴露表面与叶片本体的上蒙皮或下蒙皮齐平。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中边界区域设置在叶片本体的前缘处。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中边界区域设置在沿前缘与叶尖相距从叶根到叶尖的长度的基本上三分之一的距离处。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中光学元件包括至少两个三角形棱镜，每个棱镜具有基部，其中两个棱镜在其基部处彼此接触以形成与光束成角度的棱镜界面，其中光束在遇到所述棱镜界面时被分解为参考光束和检测光束。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中光学元件包括设置成与光束成角度的半镀银镜，其中光束在遇到所述半镀银镜时被分解为参考光束和检测光束。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中光学元件是50/50分光器。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中光源发射白光。

18.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中光导件中的至少一个包括光纤线缆。

19.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中光测量装置包括光谱仪。

20.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中边界区域包括第一和第二边界表面，第二边界表面与第一边界表面隔开，第一边界表面面向叶片本体的外部环境，第二边界表面光学地连接到分光型光学元件，第二边界表面适于接收检测光束、反射检测光束的内部被反射部分、以及传输第一检测光束的传输部分，第一边界表面适于接收第一传输部分、将第二被反射部分朝向第二边界表面反射、将检测光束的第二传输部分传输到外部环境中、以及接收检测光束的第二传输部分的外部被反射部分。

21.一种用于确定在风力涡轮机的叶片本体上的冰层的存在和/或厚度的方法，所述方法包括：

产生光束；

通过分光型光学元件将光束分解为参考光束和检测光束，所述分光型光学元件光学地连接到边界区域，其中检测光束的内部被反射部分在边界区域处被反射，检测光束的传输部分通过边界区域传输到叶片本体的外部环境，检测光束的传输部分的外部被反射部分通过边界区域再次传输；

接收参考光束、检测光束的内部被反射部分和/或检测光束的外部被反射部分；

分析被接收光；以及

取决于分析来确定在叶片本体上的冰层的存在和/或厚度，

其中边界区域设置在叶片本体处以便允许检测光束的传输部分的已从叶片本体的外部被反射的第一外部被反射部分和第二外部被反射部分通过边界区域再次传输。