CN107110128B - 操作风力涡轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种操作风力涡轮机的方法。风力涡轮机包括至少一个可旋转叶片。该方法包括以下步骤：提供载荷传感器，该载荷传感器配置成产生载荷信号，该载荷信号代表叶片上的载荷；当叶片处于第一位置时产生第一载荷信号；以及当叶片处于第二位置时产生第二载荷信号。附加地，该方法包括以下步骤：检测叶片的转速，基于第一和第二载荷信号计算叶片上的重力，以及基于第一和第二载荷信号计算叶片上的离心力。随后，重力与预先确定的重力相比较，并且离心力与在被检测到转速下的预先确定的离心力相比较。最终，抛冰的风险基于重力和离心力与预先确定力的比较来确定。

Description

操作风力涡轮机的方法
技术领域
本发明涉及一种操作风力涡轮机的方法。
背景技术
传统上，如果在风力涡轮机叶片上检测到冰或存在叶片上有冰的风险，则风力涡轮机停机，因为叶片的破冰可能脱落或可能从叶片抛出并且由此损坏物品或使人受伤。
然而，如果风力涡轮机竖立在没有进入途径或具有受控制且受监控的进入途经的封闭区域中，并且如果能够确保从叶片落下或从叶片抛出的冰无法击中该区域外的人或易碎物品或该区域内的易碎物品，则叶片的外表面上的一定量的冰可以是可接受的。
发明内容
本发明的实施方式的目的是提供一种操作风力涡轮机的改进方法。
本发明的实施方式的另一目的是提供一种允许风力涡轮机的操作时间增加的方法。
本发明的实施方式的又一目的是提供一种能够检测冰从风力涡轮机叶片抛出的风险的方法。
根据第一方面，本发明提供一种操作风力涡轮机的方法，风力涡轮机包括至少一个可旋转叶片，该方法包括以下步骤；
-提供载荷传感器，该载荷传感器配置成产生载荷信号，该载荷信号代表叶片上的载荷；
-当叶片处于第一位置时产生第一载荷信号；
-当叶片处于第二位置时产生第二载荷信号；
-检测叶片的转速；
-基于第一和第二载荷信号计算叶片上的重力；
-基于第一和第二载荷信号计算叶片上的离心力；
-将重力与预先确定的重力相比较；
-将离心力与在被检测到的转速下的预先确定的离心力相比较；以及
-基于重力和离心力与预先确定力的比较来确定抛冰的风险。
通过确定抛冰的风险，可以限制用于风力涡轮机的关机时间，即使是在冰积聚在叶片的外表面处的情况下。
一个或多个载荷传感器可以附着到叶片，例如在叶片的外表面处，或可以通过集成在叶片中形成叶片第一部分。由于冰可能附着到一个叶片而非另一个叶片，或由于附着到一个叶片的冰可能比另一个叶片更多，因此可能有利的是每个叶片包括至少一个载荷传感器，因为这使得可以对于每个叶片单独地确定抛冰的风险。
然而，应当理解的是，还可以基于来自仅一个叶片的载荷信号执行确定。
载荷传感器可以是传统应变传感器、光学FBG(光纤布拉格光栅)传感器、或其他类似传感器。可能有利的是，载荷传感器是线性传感器。
载荷传感器配置成产生载荷信号，该载荷信号代表叶片上的载荷。载荷可以取决于叶片的重量，该重量可以是叶片自身的重量，并且可以包括代表例如附着到叶片的外表面的冰的附加重量。附加地，载荷可以取决于作用在叶片上的离心力。由于离心力取决于叶片的转速，因此载荷可以取决于该转速而改变。风速和风向还可以与其他方面一起影响叶片上的载荷。
第一载荷信号当叶片处于第一位置时产生。这个第一位置可以是叶片的任意位置。第一载荷信号优选地在叶片的旋转期间产生，以便能够包括取决于离心力的载荷。
附加地，第二载荷信号当叶片处于第二位置时产生。这个第二位置可以是叶片的任意位置。同样优选的是在叶片的旋转期间产生第二载荷信号，以便能够包括取决于离心力的载荷。
由于离心力取决于叶片的转速，因此转速也被检测到。
为了在有限的不确定性下确定抛冰的风险，第一和第二载荷信号的产生可以在短时间间隔内执行，例如在叶片旋转1-10圈内(诸如在叶片旋转1-5圈内或1-3圈内)执行。在特定实施方式中，第一和第二载荷信号在叶片旋转1圈内产生。
在具有高湍流风况的时间段中，可能有利的是，产生一个以上第一载荷信号和一个以上第二载荷信号，并且随后将这些载荷信号平均以最小化湍流的影响。
可以在同一时间间隔中检测叶片的转速，以获得用于载荷信号和转速的互相关联的值。在第一和第二载荷信号在旋转多圈内(例如在旋转3圈内)产生的情况下，可以对于旋转每圈检测转速并且随后可以产生平均值。可选地，可以使用被检测到的转速值中的一个，例如最大值或最小值。在另一可选方案中，可以仅对于旋转3圈中的1圈检测转速。
由于位于风力涡轮机的叶片上的冰将会增加叶片的重量，因此该方法包括计算叶片上的重力的步骤。由此，重力是由于叶片的重量而作用在叶片上的力的量度。这个重力基于所产生的第一和第二载荷信号计算。
类似地，离心力基于所产生的第一和第二载荷信号来计算。离心力是由于叶片的旋转而作用在叶片上的力的量度，并且离心力由此取决于叶片的转速。
由于叶片在不含位于叶片上的冰的情况下(例如在风力涡轮机竖立之前)的重量能够确定，因此预先确定的重力能够类似地在风力涡轮机竖立之前确定。应当理解的是，“预先确定的重力”在此意味着由于叶片的重量而作用在叶片上的力，其中重量是叶片自身不含冰的重量。可选地，预先确定的重力能够基于所产生的第一和第二载荷信号计算。在后一种情况下，该计算应当在没有冰位于叶片上的日子里执行。
当将计算出的重力与预先确定的重力相比较时，可以确定冰是否位于叶片上，因为位于叶片上的冰将会增加叶片的重量并且由此增加作用在叶片上的重力。
对于离心力执行类似的比较。然而，由于离心力取决于叶片的转速，因此预先确定的离心力并非单一值，而是用于每个转速的不同值。
用于多个不同转速的预先确定的离心力可以存储在查找表中。如果手动地执行比较，则负责人可以在这个查找表中找到用于预先确定的离心力的相关值。如果准确值不存在于查找表中，则可能有必要在表中的值之间进行插值。
由于可以可选地自动(例如通过控制单元)执行比较，因此查找表或包括用于转速和预先确定的离心力的互相关联的值的类似数据存储器可以是控制单元的一体部分，该控制单元还可以配置成在各当前值之间进行插值。
应当理解的是，操作风力涡轮机的方法以及由此确定抛冰风险可以通过控制单元执行，该控制单元配置成基于所产生的载荷信号执行计算和比较。控制单元可以位于机舱中、位于可以处理例如来自众多风力涡轮机的数据的单独控制中心中、或位于其他场所处。一个或多个载荷传感器与控制单元之间的通讯可以是有线通讯或无线通讯。配置成执行操作风力涡轮机的方法的控制单元可以是涡轮机主控制器。
由于重力和离心力均当冰位于叶片上时改变，因此抛冰的风险能够基于与预先确定的力比较来计算，其中预先确定的离心力取决于叶片的转速。
应当理解的是，“抛冰的风险”在此意味着冰在叶片的旋转期间从叶片上掉落的风险，包括冰在叶片的旋转期间从叶片上抛出的风险。
由于冰从叶片上掉落的潜在危险，因此抛冰的风险可以只取决于冰是否位于叶片上的事实，而不考虑冰的粘附。
为了有助于确定抛冰的风险，将重力与预先确定的重力相比较的步骤可以包括计算重量偏差的步骤，该重量偏差代表重力与预先确定的重力的偏差。由此，重量偏差可以是位于叶片上的冰的重量的量度。
将离心力与预先确定的离心力相比较的步骤可以类似地包括计算离心力偏差的步骤，该离心力偏差代表离心力与预先确定的离心力的偏差。
如果离心力偏差大于重量偏差，则冰可能位于叶片的外侧部分处，即位于叶片的最远离叶片根端的部分(即叶片的最靠近稍端的部分)上。相反，如果离心力偏差小于重量偏差，则冰可能位于更靠近叶片根端处。如果离心力偏差处于重量偏差的范围中，则冰可能位于叶片的外表面的较大区域上。
位于更靠近叶片根端处的冰可能不如位于更靠近叶片稍端处的冰抛得那么远。这主要是由于离心力以及叶片稍端由于叶片的长度而以更高的速度旋转的事实。
由此，确定抛冰的风险的步骤可以附加地包括提供风险因数的步骤，该风险因数当离心力偏差高于重量偏差时量化出较高风险并且当离心力偏差低于重量偏差时量化出较低风险。
风险因数可以当评估由于冰位于一个或多个叶片上而需要将风力涡轮机停机时使用。这在风力涡轮机位于具有受控制的进入途径的封闭区域中的情况下可能是特别重要的，因为如果在这样的区域中，冰位于更靠近根端处，则可以接受使风力涡轮机继续运转。相反，即使在封闭区域中，也无法接受较大量的冰位于更靠近梢部处，因为位于更靠近梢部处的冰可能抛至该区域以外。这个评估可以取决于冰的量、叶片的转速、该区域的大小、在同一区域中与相邻的一个或多个风力涡轮机相距的距离、风力涡轮机在该区域内的位置等。
此外，确定抛冰的风险的步骤可以包括确定代表冰在叶片上的分布的冰位置估算的步骤。
应当理解的是，冰位于叶片上的位置还可以是对于叶片自身的问题，特别是在大量的冰位于靠近叶片的稍端处的情况下，因为这可以将叶片自身暴露于比设计载荷更大的载荷。由此，抛冰的风险的确定还可以当评估叶片是否由于冰而暴露于过大载荷时使用。
为了有助于计算重力和/或离心力，第二位置可以相对于第一位置位移基本上180度，由此第一和第二信号在叶片的相反定位的位置处产生。
为了有助于计算重力和/或离心力，第一位置和第二位置中的至少一个可以是基本上竖直的。
在优选实施方式中，第一载荷信号当叶片处于基本上竖直向下的第一位置时产生，并且第二载荷信号当叶片处于基本上竖直向上的第二位置时产生。应当理解的是，第一和第二位置还可以相反地限定。
预先确定的重力可以对于不含附着到叶片的冰的叶片确定。这可以例如当竖立风力涡轮机时进行。
预先确定的离心力可以类似地对于不含附着到叶片的冰的叶片确定。由于离心力取决于叶片的转速，因此可以提供查找表、数据表、或其他数据存储器，其中设置有用于所提及的风力涡轮机的离心力和转速的互相关联的值，即预先确定的离心力可以对于多个转速确定。
计算重力的步骤可以包括定义第一与第二载荷信号之间的线性函数并且使用所述函数。
如果第一和第二载荷信号当叶片分别处于基本上竖直向下和向上的第一和第二位置时产生，则计算重力的步骤可以包括以下函数：
2×F重量＝F向下÷F向上
其中：
F重量是重力，
F向下是基于第一载荷信号的力，以及
F向上是基于第二载荷信号的力。
计算离心力的步骤可以包括定义第一与第二载荷信号之间的线性函数并且使用所述函数。
如果第一和第二载荷信号当叶片分别处于基本上竖直向下和向上的第一和第二位置时产生，则在给定的转速下计算离心力的步骤可以包括以下函数：
2×F离心力＝F向下+F向上
其中：
F离心力是离心力，
F向下是基于第一载荷信号的力，以及
F向上是基于第二载荷信号的力。
附图说明
现在将会参照附图进一步描述本发明的实施方式，其中图1展示风力涡轮机。
具体实施方式
应当理解的是，具体描述和特定实施例尽管指示出本发明的实施方式，但仅通过展示方式给出，因为本发明的精神和范围内的各种变化和改型对于本领域技术人员将会从这个具体描述中变得明显。
图1展示风力涡轮机1。风力涡轮机1包括具有多个塔架区段的塔架2、定位在塔架2的顶部上的机舱3、以及从机舱3延伸的转子4。塔架2竖立在基座7上。转子4相对于机舱3可旋转，并且包括轮毂5和三个叶片6。叶片6上的入射风引起转子4相对于机舱3旋转。来自转子4旋转的机械能通过机舱3中的发电机(未示出)转换成电能。所产生的电能能够供给到电网或当地社区。
在所展示的实施方式中，载荷传感器8附着到每个叶片6。载荷传感器8配置成产生载荷信号，该载荷信号代表叶片6上的载荷。
所产生的载荷信号通讯到控制单元9，该控制单元可以位于机舱3中、位于处理例如来自众多风力涡轮机的数据的控制中心中、或位于其他场所。为了展示目的，控制单元9展示成与风力涡轮机分离，并且通讯通过虚线展示。应当理解的是，通讯可以是有线通讯或无线通讯。
控制单元9配置成基于第一和第二载荷信号计算叶片6上的重力、基于第一和第二载荷信号计算叶片6上的离心力、并且将重力与预先确定的重力相比较且将离心力与在被检测到的转速下的预先确定的离心力相比较。此外，控制单元9配置成基于重力和离心力与预先确定力的比较来确定抛冰的风险。
尽管已示出和描述本发明的实施方式，但应当理解的是，这样的实施方式仅通过实施例的方式描述。众多变化，改变和替换在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下将会由本领域技术人员想到。因此，以下权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这样的变化或等同方案。

Claims (13)

1.一种操作风力涡轮机的方法，风力涡轮机包括至少一个可旋转叶片，所述方法包括以下步骤；
-提供载荷传感器，所述载荷传感器配置成产生载荷信号，所述载荷信号代表叶片上的载荷；
-当叶片处于第一位置时产生第一载荷信号；
-当叶片处于第二位置时产生第二载荷信号；
-检测叶片的转速；
-基于第一和第二载荷信号计算叶片上的重力；
-基于第一和第二载荷信号计算叶片上的离心力；
-将重力与预先确定的重力相比较；
-将离心力与在被检测到转速下的预先确定的离心力相比较；以及
-基于重力和离心力与预先确定力的比较来确定抛冰的风险。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将重力与预先确定的重力相比较的步骤包括计算重量偏差的步骤，所述重量偏差代表重力与预先确定的重力的偏差。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中将离心力与预先确定的离心力相比较的步骤包括计算离心力偏差的步骤，所述离心力偏差代表离心力与预先确定的离心力的偏差。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定风险的步骤包括提供风险因数的步骤，所述风险因数当离心力偏差高于重量偏差时量化出较高风险并且当离心力偏差低于重量偏差时量化出较低风险。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定风险的步骤包括确定冰位置估算的步骤，所述冰位置估算代表冰在叶片上的分布。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中第二位置相对于第一位置位移基本上180度。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中第一位置和第二位置中的至少一个是基本上竖直的。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中预先确定的重力在叶片不含附着到叶片的冰的情况下确定。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中预先确定的离心力在叶片不含附着到叶片的冰的情况下确定。
10.根据权利要求9所述的方法，其中预先确定的离心力对于多个转速确定。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中计算重力的步骤包括定义第一与第二载荷信号之间的线性函数并且使用所述函数。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中计算离心力的步骤包括定义第一与第二载荷信号之间的线性函数并且使用所述函数。
13.一种风力涡轮机，包括至少一个可旋转叶片和控制单元，所述控制单元配置成实施权利要求1至12中任一项所述的方法。
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