CN105408626B - 具有减小的雷达截面的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了包含支承结构和一个或者多个涡轮机叶片的风力涡轮机，其包含了用以减小雷达截面（RCS）的装置，其中支承结构被假想地分为在叶片扫过面积阴影中的上部段和在上部段之下的下部段，其中上部段被改变为具有用于减小RCS的装置，下部段不具有所述的改变。本发明利用了这样的实现，即随着叶片转动，叶片对塔的遮掩（或者如果背离雷达，叶片被塔遮掩），显著地贡献了对雷达系统的干扰，因此例如RAM的局部应用可以比处理整个结构时低的费用给予好的RCS减小。

Description

具有减小的雷达截面的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及风力涡轮机和用以支承风力涡轮机的塔。更具体地，它涉及塔和以瓦片、涂层、遮盖物等的形式对这类塔的处理，所述瓦片、涂层、覆盖物等对来自这类塔的雷达等中使用的电磁（EM）波的反射性有影响。

背景技术

风力涡轮机正被越来越多地用于发电，作为对传统煤和气发电的替代，力图满足国家和国际的碳排放目标。涡轮机通常十分巨大，作为来自包括ATC（空中交通管制）雷达和ADR（防空雷达）以及气象雷达在内的雷达系统的能量的重要反射器。出于这个原因，新的风电场提案经常面临反对由于它们可能对这类雷达系统产生的负面影响。以上雷达通常使用多普勒处理它们的回波信号，意味着它们寻找由目标移动引起的在回波中的频率变化。涡轮机叶片，作为移动部件，对这类多普勒雷达有特殊的影响。该影响可迷惑多普勒雷达或是认为该处有相关的移动目标（例如飞行器）出现但实际没有，或是可遮盖真实目标免于侦查。一些措施已被采用以减弱风力涡轮机对雷达系统所产生的影响。例如，WO2011/051687和WO2010/122352公开了最小化从叶片的EM反射的技术，通过将EM吸收剂，RAM（辐射吸收材料）或者相类似的结合到其中的方式。取决于所用RAM的性能，这类措施可以是十分有效的。

当维持成本在合理范围内的时候，风力涡轮机的反射性规范可能难以满足。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供了至少包含有支承结构和一个或者多个涡轮机叶片的风力涡轮机，其中支承结构被假想地分为上部段和下部段，上部段包括近似与涡轮机叶片扫过面积有重叠的支承结构的那部分，下部段是在它之下的支承结构的其余部分，特征在于上部段的相当大的部分被改变以具有减小的雷达截面（RCS），而下部段的相当大的部分未被如此改变。

注意到支承结构被重叠的区域可能是由远处安置的雷达所见的那块重叠区域，所述雷达通常相对于水平面有零度或者十分小的仰角。

已知涡轮机叶片干扰多普勒雷达系统，正如前面所述。迄今认为支承结构，尽管有显著的雷达截面（RCS），其对多普勒雷达的影响相对减弱许多，因为它不发生移动，因而不产生多普勒频移。将塔涂覆上RAM也是十分昂贵的。出于这些原因，考虑涡轮机整体对多普勒雷达的影响时，塔通常被忽略。然而，本发明人发现，尽管塔是静态的，它仍可与移动的涡轮机叶片协同作用以产生在范围内的对雷达系统的动态回波。即使涡轮机的叶片利用例如在以上引用的专利文献中建议的技术被制造成有减小的RCS也是这样。

发现塔对多普勒雷达的影响主要源于当涡轮机叶片扫过塔时它们对部分塔的周期性掩蔽，引起反射相位和/或强度的不连续，这继而引起多普勒频谱的扩展。RCS峰值被发现发生在这个位置上，其决定性地影响了来自涡轮机的总时间平均RCS。这比来自塔的其余部分的稳定的（但通常颇大的）反射对多普勒雷达系统是影响更为显著的，且更有潜在破坏性的。

当在有水平旋转轴线的涡轮机中，保持叶片的机舱前端指着朝所关心的雷达方向的时候，即当叶片的旋转轴线指向朝着雷达的方位的时候（及因而当方位角＝0度的时候），该影响被发现是最为明显的。这是因为随着叶片向下扫过塔的上部段，这个位置引起来自塔的反射的强度上更为突然的变化。然而，对于这任一边小的（例如小于约45°）方位角，影响仍然是显著的，但到了较轻的程度。当旋转轴线指向与雷达呈约180°的方向时，即当机舱的前端指向相当大地偏离雷达方向的时候，以及对于任一边小方位角，也有影响。

减小RCS的改变可包含以一定手段涂覆塔的相关部分以吸收辐射，比如RAM，例如电路模拟RAM，或者可包含以使EM辐射偏离它来的方向，或者偏离所关心的一个给定方向的物理成形。成形和RAM覆盖两者可结合使用。

上部段被改变以减小RCS的部分可能，在一些实施例中，对于它的至少一部分的圆周，是上部段的全长，但如果上部段的多半长度被这样改变，将取得积极效果。被改变的部分可包括整个圆周，或者可能替代地仅包含圆周的一部分。该改变可能沿着上部段的长度有所不同，因此不同的子长度有不同的改变，例如RAM覆盖范围量不同。给定所关心的已知雷达（也就是可能被涡轮机所影响的雷达）的位置，然后上部段的仅一部分可能被改变为减小RCS，基于以上所阐明的原因，该部分是朝向雷达位置的那部分。RAM覆盖可被提供在面向雷达的一点的任一侧在20°到90°之间的圆周区域上，留下其余的没有被覆盖。因此相比于覆盖哪怕仅是塔的上部段，这允许显著的成本节约。然而，在一些情况例如雷达可能被重新安置，或者可能被安置在移动的交通工具上，比如从任意方位角而来的飞行器，那么塔的上部段的基本上整个圆周可用RAM覆盖。如果成本和重量问题不是太受限制的话，这样的上部段的完全的覆盖也许会更为通常地被使用。替代地，上部段可被分成子段，且给定的子段相对于另一子段有不同的覆盖。例如，不同的子段可以有不同的圆周覆盖物，或者在子段内有多个在各自上有不同覆盖物的扇区。

本发明实施例可能使上部段的基本上整个长度改变以便对于至少一部分的它的圆周减小RCS，并且可使下部段基本上没有长度被如此改变。其它实施例可使上部段的基本上整个长度在其圆周的至少一部分上具有RAM覆盖，同时下部段基本上没有长度具有如此的RAM覆盖，但是其中至少一部分的下部段可被成形以减小朝向相关雷达的反射。

RAM可能由RAM瓦片组成，所述RAM瓦片被粘贴到塔的合适部分。RAM可以是电路模拟（CA）RAM，该电路模拟RAM具有印刷的带电阻的轨道，轨道的尺寸、电阻率和与有关联的接地平面的间隔被选择为对所关心的波长有吸收性的。对于大部分雷达，该波长大概是15cm到1cm左右，对于多普勒气象雷达，例如，通常运转在1GHz到10GHz范围内（30cm到3cm，最大化雨滴的瑞利（Rayleigh）反向散射。RAM瓦片关于它们的一般电性能可能与公开在以上引用的专利申请中的那些是相似的，当然还可通过已知的方式被修改为适合特殊要求。瓦片优选地具有一定程度柔性以使它们能够被附于支承结构的通常弯曲的表面。然而，为增加一定程度刚性以使它们在该应用中适合使用，它们或许具有一玻璃纤维衬底层。这帮助使瓦片的挠曲降低到可接受的水平，因而减少了形成CA部件的任何印刷的电轨道的开裂。

注意到在本申请中，塔的相当大的一部分，与RCS减小处理的覆盖范围相关，意味着对于给定的风力涡轮机和雷达布局，该应用对RCS有显著的影响。在覆盖范围的面积而言不需要必须是相当大的（例如，在一些实施例中，它可以不覆盖塔的上部段的大多数面积），但在一些实施例中可能是这样的。

还注意到支承结构的上部段可替代地被限定为是当涡轮机叶片扫过它时进入到照射雷达的阴影的那部分。如果照射雷达相对支承结构在不同的高度上，例如在支承结构所在的小山的底部，（或者反过来），或者被置于从高的高度照射支承结构的飞行器中，那么该替代的限定可能引起与支承结构的高度成比例的在上部段中的小变化。然而实际上，差别可能是十分小的，因而对发明实施是影响很小的。

支承结构主要包含支承塔，但也可能包括包含有涡轮机自身以及用于涡轮机叶片的机械附件的机舱。

尽管发明在此被描述为关于具有水平旋转轴线的风力涡轮机的（也就是“HAWTs”，或者水平轴线风力涡轮机），但也被理解的是发明也同样适用于那些有垂直旋转轴线的风力涡轮机（VAWTs，或者垂直轴线风力涡轮机），其中在涡轮机叶片的扫过面积与支承结构之间有一些（但不是全部）重叠。

根据本发明的第二个方面，提供了处理风力涡轮机支承结构的方法，该方法包括：

i) 识别支承结构的上部段，上部段是与涡轮机叶片扫过面积有重叠的上面部分，在它之下的支承结构的其余部分为下部段；

ii) 识别支承结构面向所关心的雷达的一侧上的区域；

iii) 改变支承结构的上部段的圆周的至少相当大的部分以减小它的雷达截面（RCS），该相当大的部分包括在（ii）中所识别的区域的大量部分；以及

iv) 布置支承结构的下部段为没有为减小它的RCS而被改变的大量区域。

方法可被应用于现有的风力涡轮机支承结构，或者新建的风力涡轮机支承结构。

本发明的一个方面中的任意特征可以任何适当的结合方式被用于发明的其它方面中。特别地，方法方面可被用于装置方面，反之亦然。

附图说明

参考以下附图，现在仅通过例子的方式描述本发明的实施例，附图中：

图1图解说明了本发明的实施例可能实施于的风力涡轮机；

图2图解说明了引起本发明所处理的问题的涡轮机的不同的叶片位置；

图3图解说明了具有沿着叶片的长度变化的在涡轮机叶片和塔之间的最小间隔的风力涡轮机；

图4－9图解说明了本发明的不同实施例。

具体实施方式

图1以侧视图显示风力涡轮机（1），该风力涡轮机包括支承塔（2），机舱（3）和涡轮机叶片（4）。示意图不是按比例绘制，与叶片长度相比，事实上塔通常会比所示的要长。叶片（4）绕着它们的旋转轴线转动因而每一叶片，在它转动的底部，与塔（2）对齐。

所示雷达（5）通过EM辐射照射涡轮机（1），且本发明通常所关心的它的照射的那部分示为（6）。EM辐射（6）打到塔（2）和叶片（4），且反射回，被雷达（5）所接收，随后按照已知方式进行处理。在涡轮机转动的大部分时间内，叶片不遮掩塔的任何大部分区域。然而，当叶片到达它的最低点随后它与塔成一直线时，提供对塔的一部分的最大遮掩。较低的叶片（4）示为处在这个位置，从雷达（5）可见它遮掩了由箭头（7）所标记的塔的上部部分。因此由箭头（7）所示的区段是塔的上部段，而在它之下的塔的那部分是下部段。可以看到上部段近似等于单个叶片（4）的长度。

图2更为详细地显示了当叶片转动时遮掩的过程。图2a显示叶片（4）绕着支点（8）转动，并沿箭头所示方向移动。它在接近它的最低点。塔（2）被叶片的前缘所部分地遮掩，主要在左上部，但随着叶片进一步环扫，遮掩量将迅速增加。

图2b显示了叶片（4）在它的最低点，且取决于叶片的精确形状和观察叶片和塔的角度，在塔的最大遮掩的位置或者十分接近于塔的最大遮掩的位置。从图2a到2b之间的叶片移动量是微小的，但塔的增加的遮掩是相当大的。因而该遮掩趋向于，对雷达看来像突然的转变同时伴随着不连续的反射相位和/或大小。在正常运行条件下，转变发生足够迅速以至于展现为一个大的多普勒速度变化，这可引起雷达给出错误的测量或检测。

图2c显示了叶片从最低点移动离开，随着叶片后缘的移动绕转，再度开始显露之前被遮掩的塔。叶片后缘的形状可能不同于前缘，导致塔的显露与它的遮掩有不同的表观速度。这可使由这引起的多普勒雷达信号处理的问题复杂化。

图3显示了一种由于叶片和支承塔的相对成形可产生额外RCS峰值的风力涡轮机。这里，风力涡轮机（30）包含从其底部到顶部向内逐渐变细的塔（31）。叶片（32）示为处在它的最低点。可以看到叶片和塔之间的水平间隔沿着叶片长度变化。例如，在叶片末梢处的间隔示为A，在叶片中间处的间隔示为B。

故而，当叶片（32）随着它经过它的最低点扫过塔时，除了在涉及图2时描述的突然的转变效应，多普勒雷达可能还会察觉到与塔的上部段在平均距离上的一个更为渐进的（但仍迅速的）显见的变化。这个效果可在这类雷达中产生不受欢迎的RCS峰值效应。

在本发明之前，以上所描述的效应不被那些工作在该领域的人所认识。因此，他们的解决方法是以某种方法或者RAM或者等效方法覆盖整个塔的全部或者相当大的部分，来防止反射的辐射干扰雷达系统。对成因的认识使具有高度选择性的RAM布置（恰好布置在具有最大益处的地方）的低很多的成本选项成为可能。

图4到8显示了本发明的不同的实施例，其中支承结构的上部段的所选部分被处理以减小返回到相关的雷达系统的反射。在所有图中上部段是位于虚线（43）以上的那部分。

参照图4a，显示了风力涡轮机（40）的一部分，包括塔（41）的最上面的部分和机舱以及叶片（42）。位于塔上的是从上部段的底部伸展到几乎塔顶的一片RAM（44）。RAM（44）覆盖了塔的圆周的90°扇区，如图4b的截面图中的（44）所示。RAM（44）被选择为是能吸收由相关雷达系统所发射的辐射的。雷达系统的位置通常已知，尤其是如果它是固定的基于地面的雷达。在这样的情况中，RAM被设置在塔上使得RAM的水平中心面对雷达的位置。这使RAM的覆盖范围达到“瞄准线”方向的每侧45°，以涵盖机舱不是正对着雷达位置的情况。

图5显示了本发明的另一实施例，具有不同处理以减小上部段的RCS。图5a显示了与图4中类似的风力涡轮机（50）和它的支承结构（51），在“正面”（也就是面向已知雷达位置的区域）具有部分RAM涂层（52）。然而，从图5b的截面图中显见的，除了前RAM涂层（52），还有具有相似同尺寸的在塔（51）的相反侧上的后涂层（53）。当涡轮机机舱（42）面向偏离雷达方向时，及因此当存在从叶片54和塔（51）背面的多路反射的很大可能性时，这个后涂层存在以削弱雷达回波。

图6a显示了一个实施例，其中，在风力涡轮机支承结构（60）的上部区域内，支承结构具有两个不同的RAM覆盖状况。支承结构（60）的第一长度，表示为x，在塔的正面具有90°的RAM覆盖（61），参见图6b中第一长度的横截面所示。支承结构（60）的第二长度，表示为y，具有45°的RAM覆盖（62），如图6c中第二长度的横截面图中所示。因此RAM的涂覆量（或者实际上用以减小回到雷达的反射的任何其它技术）可依照支承结构的特殊部分的测量或预测的结果进行调整。这里，设计反映了这样的预测或者测量结果，即较低的多普勒回波将从第二长度发出，因此塔的更小且因此更便宜的区域需要用RAM涂层处理。

图7显示了本发明相似于图6的一个实施例，但有不同的RAM覆盖范围模式。图7a显示了涡轮机单元（70）的正面图。第一长度（x）有覆盖了180°跨度的RAM涂层（71），而第二长度（y）有90°角覆盖范围的RAM涂层（72）。图7b在横截面图中显示了具有附于塔结构的正面部分的RAM涂层（71）的第一长度（x）的覆盖范围，而图7c在横截面图中显示了第二长度（y）的覆盖范围。

图8显示了同时有正面和背面RAM涂层的，且在正面沿长度覆盖范围变化的本发明的一个实施例。图8a显示了风力涡轮机（80）的正视图。在涡轮机（80）的正面上，第一长度（x）有覆盖了90°跨度的RAM涂层（81），而第二长度（y）有涂覆塔的该侧的45°角覆盖范围的RAM（82）。在涡轮机（80）的背面上是具有沿着上部段的长度提供了45°涂层的宽度的RAM条（83）。图8b和8c分别显示了塔的第一长度（x）和第二长度（y）的横截面图，图中指出了各长度的扇形的RAM覆盖范围。

图9a显示了发明的一个实施例，其中涡轮机（90）具有在正面和背面上覆盖了它的支承结构的上部段的基本全部的RAM涂层（91）。这提供了对撞击到上部段的辐射的最大削减，但也有最大的覆盖范围的面积（和因此的成本）和重量。图9b显示了上部段的横截面图，从中可以看到RAM涂层（91）覆盖了整个圆周。

主要关于普通的HAWT形式的风力涡轮机描述本发明。一般专业人员将理解的是在不偏离本发明精神和范围的条件下可以对所描述实施例进行不同的修改和变更，包括改变任何的抗反射涂层（包括RAM）的模式和区域覆盖范围，成形以减小在给定方向上的反射，和本发明在VAWT系统中的利用。

Claims (14)

1.一种包含至少一个支承结构和一个或者多个涡轮机叶片的风力涡轮机，其中所述支承结构被假想地划分为上部段和下部段，所述上部段包括与涡轮机叶片的扫过面积有重叠的所述支承结构的那部分，下部段是在所述上部段以下的与涡轮机叶片的扫过面积没有重叠的所述支承结构的其余部分，其特征在于所述上部段沿着其大体整个轴向长度并且至少部分地围绕其圆周被改变以具有减小的雷达截面（RCS），并且所述下部段没有被如此改变。

2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中使所述支承结构具有减小雷达截面的改变包括用辐射吸收材料（RAM）覆盖所述上部段的大部分。

3.如权利要求2所述的风力涡轮机，其中所述辐射吸收材料（RAM）被改变为是能吸收由相关雷达系统所发射的波长的。

4.如权利要求1所述的风力涡轮机，给定与所述支承结构有关的雷达的预定位置，仅面向所述雷达的方向的所述上部段的一部分圆周被覆盖以辐射吸收材料（RAM）。

5.如权利要求4所述的风力涡轮机，其中被覆盖的所述一部分圆周的角度覆盖范围延伸到在圆周上面向所述雷达的方向的点的任一侧的20°到90°范围。

6.如权利要求5所述的风力涡轮机，其中所述角度覆盖范围是面向所述雷达的点的任一侧的45°。

7.如权利要求4到6任一项所述的风力涡轮机，其中在所述支承结构的上部上的背对着面向雷达那侧的区域也具有施加于其上的辐射吸收材料（RAM）涂层。

8.如权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机，其中所述上部段自身被划分为多个子段或者子区域，其中一个给定的子段或者子区域相比于另一个具有不同的辐射吸收材料（RAM）覆盖。

9.如权利要求1到3中任一项所述的风力涡轮机，其中基本上全部的所述上部段具有辐射吸收材料（RAM）覆盖。

10.如权利要求2-6中任一项所述的风力涡轮机，其中所述辐射吸收材料（RAM）包括多个瓦片，每一瓦片包含有多层的电路模拟结构。

11.如权利要求10所述的风力涡轮机，其中所述瓦片有包含玻璃纤维的衬底层。

12.如权利要求1-6中任一项所述的风力涡轮机，其中所述支承结构的所述上部段被成形以避免无线电频率的电磁（EM）能量在所关心的方向上的反射。

13.一种包含至少一个支承结构和一个或者多个涡轮机叶片的风力涡轮机，其中所述支承结构被假想地划分为上部段和下部段，所述上部段包括当涡轮机叶片扫过它时进入到照射雷达的阴影中的所述结构的那部分，下部段是在所述上部段以下的与涡轮机叶片的扫过面积没有重叠的所述支承结构的其余部分，其特征在于所述上部段沿着其大体整个轴向长度并且至少部分地围绕其圆周被改变以具有减小的雷达截面（RCS），并且所述下部段没有被如此改变。

14.一种处理风力涡轮机支承结构的方法，包括：

i) 识别所述支承结构的上部段，所述上部段是与所述涡轮机的叶片的扫过面积有重叠的上部部分，在所述上部段以下的与所述涡轮机的叶片的扫过面积没有重叠的所述支承结构的其余部分为下部段；

ii) 识别所述支承结构的面向所关心的雷达的一侧的区域；

iii) 沿着所述上部段的大体整个轴向长度并且至少部分地围绕其圆周改变所述支承结构的所述上部段以减小它的雷达截面（RCS），被改变的所述上部段包括在（ii）中所识别的所述区域；以及

iv) 布置所述支承结构的所述下部段以使其不被改变为减小它的雷达截面（RCS）。