CN115704359A - 包括容易发生雷击和结冰的结构的系统、用于操作该系统的方法和包括该系统的风力涡轮 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种系统，该系统包括容易发生雷击和结冰的结构，其中，该结构包括电连接到雷电布置的屏蔽布置、连接到用于减轻该结构结冰的功率源的电加热布置、以及有效地设置在屏蔽布置和电加热布置之间的电绝缘布置。功率源配置成用于施加预定量的电测试能量和/或维护能量，使得电测试能量和/或维护能量有效地存在于屏蔽布置和电加热布置之间。确定设备电连接到屏蔽布置和电加热布置，使得可确定存在于屏蔽布置和电加热布置之间的屏蔽加热电压和/或屏蔽加热电流。

Description

包括容易发生雷击和结冰的结构的系统、用于操作该系统的 方法和包括该系统的风力涡轮
技术领域
本主题大体上涉及一种包括容易发生雷击和结冰的结构的系统。更具体地，本主题涉及用于风力涡轮的转子叶片，其中，在确保针对由雷击造成的伤害的特定保护的同时，提供防止在系统的或转子叶片(特别是在零下的区域中操作的系统或转子叶片)的表面上产生冰的对策。
背景技术
风电被认为是目前可用的最清洁、最环保的能量源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理从风捕获动能，并且通过旋转能来传递动能以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可被部署到公用电网。
在转子叶片的表面上的冰层的发展负面地影响相应的风力涡轮的性能，从而降低总的能量生产。此外，在旋转的转子叶片上存在的冰也可造成额外的负载和/或旋转不平衡，这随后可能需要减少功率生成和/或可导致风力涡轮的寿命的减少。
在过去，实现了几种可能的解决方案，以便防止在转子叶片的表面上产生冰。例如，风力涡轮配备有热空气吹送布置，该布置产生引导到转子叶片的内部体积中的热空气流。这导致相应的转子叶片的整体加热，造成存在于转子叶片的外表面上的冰融化并随后从转子叶片脱落。作为备选方案，包括碳加热垫的电加热布置被应用到转子叶片的蒙皮。后者可造成在制造期间增加的工作量，特别是因为它的功能特别依赖于高质量的制造标准和所用材料的质量。
风力涡轮的转子叶片或容易发生结冰的一般结构也可能受到雷击的负面影响。具体地，结构或转子叶片中的电加热布置的功能可能被雷击的电气后果破坏。
因此，本公开涉及一种容易发生雷击和结冰的结构，特别是风力涡轮的转子叶片，其具有改进的操作和制造特性。此外，本公开涉及用于操作这样的系统的方法和具有这样的类型的转子叶片的风力涡轮。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
在一个方面，本公开涉及根据权利要求1所述的系统，该系统特别地包括容易发生雷击和结冰的结构，其中该结构包括电连接到雷电布置的屏蔽布置、连接到用于减轻结构的结冰的功率源的电加热布置、以及有效地设置在屏蔽布置和电加热布置之间的电绝缘布置。
功率源配置成用于施加预定量的电测试能量和/或维护能量，使得电测试能量和/或维护能量有效地存在于屏蔽布置和电加热布置之间。例如，将电测试能量和/或维护能量提供给屏蔽布置和电加热布置，使得作为结果在屏蔽布置和电加热布置之间有效地施加屏蔽加热电压。此外，如果系统处于合适的状态，作为提供电测试能量和/或维护能量的结果，屏蔽加热电流在屏蔽布置和电加热布置之间流动，或者反之亦然。因此，屏蔽加热电压和屏蔽加热电流是由提供预定的电测试能量和/或维护能量造成的。
根据本方面的可选细节，术语“电测试能量和/或维护能量”可反映或正在反映特定的和可区分的量和/或质量的电能量，以便检查和确保系统的功能。特别地，电测试能量/或维护能量与用于操作电加热布置的电操作能量是可区分的。例如，电测试能量/或维护能量在电压和/或电流方面不同于电操作能量。
确定设备可以这样的方式电连接到屏蔽布置和电加热布置，即可确定存在于屏蔽布置和电加热布置之间的屏蔽加热电压和/或屏蔽加热电流。根据实施例，确定设备可为具有特定传感器的测量设备，该特定传感器可实施为特定部件，该特定部件可集成在风力涡轮的功率源和/或控制器中。
可注意到，术语“屏蔽加热电流存在于屏蔽布置和电加热布置之间”是指屏蔽加热电流在屏蔽布置和电加热布置之间流动的事实，因此描述了电流特定测量的瞬时时刻。此外，应注意，术语“可确定”包括通过分析进一步可用的“测量”值的直接测量或间接确定。
所描述的系统能够实现以下功能，特别是如果功率源被相应地控制：
根据第一操作实施例，屏蔽加热电压被施加在屏蔽布置和电加热布置之间，同时屏蔽加热电流被限制到至少一个屏蔽加热电流阈值；该第一操作实施例表示屏蔽布置的屏蔽功能的测试周期，其中可确定电加热布置针对过电压或浪涌(surge,亦或电涌)的保护的水平(保护的功能)。例如，在将屏蔽加热电流保持在其限度内并低于屏蔽加热电流阈值的同时，在屏蔽布置和电加热布置之间将建立特定的最大屏蔽加热电压(例如5 kV)。由此，确保一直到屏蔽加热电压阈值，在屏蔽布置和电加热布置之间的电分离(例如，绝缘)在功能上是有效的并得以确保。因此，当系统被雷电球(lightning bolt,亦或闪电球)击中时，由于由屏蔽布置提供的对电加热布置的电保护是起作用的，所以可防止电加热布置的损坏。只要由雷电球感应到屏蔽布置中的电压不超过屏蔽加热电压阈值，就保证了所述功能。
根据第二操作实施例，可在屏蔽布置和电加热布置之间建立预定量和/或类型的屏蔽加热电流(电子流)。该第二操作实施例表示针对系统的修复周期，以便在屏蔽布置和电加热布置之间提供绝缘功能，使得绝缘功能一直到屏蔽加热电压阈值是有效的。
通过执行测试周期(第一操作实施例)，可确定屏蔽布置是否相对于电加热布置没有被充分地绝缘。例如，不充分的绝缘可能由屏蔽布置和电加热布置之间已经存在的导电性造成，或者可能由施加的屏蔽加热电压(电压击穿)形成。测试周期可包括在屏蔽布置和电加热布置之间施加特定的屏蔽加热电压，其中屏蔽加热电压增加到预定的屏蔽加热电压阈值。如果在将屏蔽加热电流保持在屏蔽加热电流阈值之下的同时不能在屏蔽布置和电加热布置之间建立达到屏蔽加热电压阈值的屏蔽加热电压，则确定在屏蔽布置和电加热布置之间的绝缘功能是不充分的。
如果确定不充分的绝缘功能，则可应用修复周期(第二操作实施例)：在屏蔽布置和电加热布置之间建立预定量和/或类型的屏蔽加热电流。由于不充分的绝缘功能，屏蔽加热电流的所述建立是可能的。屏蔽加热电流的量和/或类型被选择为使得在屏蔽布置和电加热布置之间的导电性例如通过使导电的电路径过载和因此过热而变得无效。可能地，根据检测到的导电性的量来选择屏蔽加热电流的预定量和/或类型。
通过相应地控制功率源和/或确定设备，第一和第二操作实施例都可由所提供的系统建立。
根据实施例，该系统还包括控制器，该控制器配置成用于控制功率源和/或确定设备，使得可建立第一操作实施例和/或第二操作实施例。该控制器可由用于该系统的特定控制器或由通用系统控制器来实现。例如，如果系统的结构是风力涡轮的转子叶片，则承载该转子叶片的风力涡轮的特定转子叶片控制器或通用风力涡轮控制器可用于实现第一实施例(测试周期)和/或第二操作实施例(修复周期)。
根据实施例，该系统包括：雷电布置，其具有雷电接受器；接地设备，其能够与接地布置有效地连接；以及导电装置，其将雷电接受器与接地设备连接，特别地其中，雷电布置与确定设备电连接。
根据另一个实施例，该结构构造为用于风力涡轮的转子叶片。特别地，在这种情况下，该系统可被识别为转子叶片系统，该转子叶片系统包括：至少一个转子叶片本身；雷电接受器；接地设备，其能够与风力涡轮的或风力涡轮的毂的接地布置有效地连接；以及导电装置，其将雷电接受器与接地设备连接，特别地其中，雷电布置与确定设备电连接。此外，屏蔽布置可包括屏蔽层，例如包括铜网片，其中，屏蔽布置经由屏蔽导体连接到导电装置。
转子叶片可包括具有叶片根部的根部部段、具有叶片尖端的尖端部段、连接根部部段和尖端部段的中间部段、以及形成转子叶片的吸力表面和压力表面的叶片蒙皮。
此外，转子叶片包括可选地具有至少一个或多个加热层的电加热布置。电加热布置可具有若干部分，其中，加热层和/或电加热布置的部分或整个电加热布置位于和/或安装在转子叶片中/安装到转子叶片上。
根据实施例，加热布置是柔性的，使得它可根据在风力涡轮的操作期间的整个转子叶片或转子叶片的蒙皮的变形(例如，由于转子叶片在挥舞方向上的弯曲所导致)来执行变形。
特别地，加热布置与叶片蒙皮布置在一起，并且在转子叶片的纵向方向上延伸超过转子叶片的总长度的50%，特别是超过65%，优选地超过80%。
选择加热布置的上述构造和设计的附加细节，使得加热布置构造成用于能够通过电气地加热相应的表面来减少在冰和转子叶片的外表面之间的粘性结合。加热布置可实施为加热层，并且可包括多个子加热层。加热布置的加热层或相应的子层可层压在转子叶片的蒙皮内。
例如，加热布置的加热层的定制厚度可根据所谓的“精确控制的定向厚度”来实施，特别是为了按比例和/或在叶片表面上的各种坐标处提供加热要求的目的。
特别地，加热布置的横截面在转子叶片的纵向方向上不是恒定的，例如，在纵向位置处的加热层的宽度和/或厚度可根据在所述纵向位置处的相应翼弦长度的尺寸来确定。
附加地和/或备选地，在纵向位置处的加热层的宽度和/或厚度可与在所述纵向位置处的相应翼弦长度的尺寸成比例和/或依赖于所述尺寸。因此，位于在纵向方向上具有增加的翼弦尺寸的转子叶片的纵向范围内的加热层的宽度和/或厚度也将在纵向方向上增加，和/或位于在纵向方向上具有减小的翼弦尺寸的转子叶片的纵向范围内的加热层的宽度和/或厚度也将在纵向方向上减小。在这种情况下，纵向方向可确定为从叶片根部朝向叶片尖端延伸。
无论该结构是作为风力涡轮的转子叶片、作为飞机的一部分或者是作为容易发生雷击和结冰的另一个结构的一部分来实施，根据实施例，该结构包括以下部分：
至少部分地纤维增强部分，该部分地纤维增强部分构造为用于至少限定结构的外部形状的蒙皮，其中，纤维增强部分至少包括至少一个外层、至少一个内层、绝缘布置的至少一个绝缘层、屏蔽布置的至少一个屏蔽层和电加热布置的至少一个加热层。
绝缘层布置在屏蔽层和加热层之间，其中，屏蔽层、绝缘层和加热层布置在外层和内层之间。此外，屏蔽层布置成比加热层更靠近外层。
因此，所述至少一个加热层(特别是所有加热层)相对于蒙皮是绝缘的。例如，这可通过使用非导电的、因此绝缘的树脂在蒙皮的纤维增强材料的附加层之间层压加热层来实现。
根据实施例，所有层不一定在彼此上延伸，但层可具有不同的尺寸、因此变化重叠区域。
根据实施例，加热布置和/或加热层具有足够高的总电阻，以通过获得向热量中的期望的能量耗散来充分地减轻在结构的表面上的冰。备选地或附加地，加热布置具有至少0.1 Ohm和/或不超过1 Ohm的总电阻。
根据实施例，加热布置构造成用于将足够的热能引入蒙皮中以融化冰和蒙皮的表面的粘合，例如通过将超过10 kW的热能引入相应的表面，和/或不超过400 kW的热能，特别是不超过200 kW的热能。例如，上限可取决于所使用的功率控制系统，例如连续加热、通断控制、相位控制、电压控制、脉宽调制、积分周期控制或它们的任何组合。
根据实施例，加热布置构造成用于将足够的热能(例如，叶片蒙皮的每平方米表面超过0.1 kW，特别是超过0.5 kW/m2，优选地超过1 kW/m2，和/或不超过20 kW/m2，特别是不超过10 kW/m2，优选地不超过3 kW/m2)引入蒙皮中。所述值可取决于待覆盖的有效区域、前缘、后缘、尖端部段、中间部段和/或根部部段。
根据实施例，加热层被实施为连续的固体材料。术语“连续材料”是指基本上没有间断或物理交叉点(如整体或切口)的材料。然而，所述术语可能不排除，在连续材料中仍然提供至少几个物理交叉点，例如用于安装目的或电连接目的。
根据另一个实施例，加热层构造成使得其可被提供为例如呈卷起形式的带材料。例如，加热层的原材料是卷起的铜带或碳带，其在制造期间易于携带和/或搬运。
根据实施例，绝缘布置和/或绝缘层至少部分地由自愈合材料制成。
术语“自愈材料”应被解释为这样的材料，即当受到特定的外部条件时，该材料能够修复轻微的损伤。这样的外部条件必须不同于任何可能的操作条件。例如，这样的外部条件可为特定的温度，可能由建立穿过包括轻微损伤的确切位置的特定电流而引起。
例如，自愈合材料构造成使得：当执行修复周期时，例如通过由于屏蔽加热电流的加热效应而使自愈合材料的一部分熔化，可使存在于屏蔽布置和加热布置之间的导电性无效。
根据本发明的一方面，公开了一种用于操作根据前述实施例中的任何或根据其多个或组合的系统的方法。特别地，该方法配置成使得提供适合于执行第一操作实施例(测试周期)和/或第二操作实施例(修复周期)的步骤。
特别地，该方法包括以下步骤：经由功率源在屏蔽布置和电加热布置之间施加预定量的电测试能量和/或维持能量；在屏蔽加热电流被限制到至少一个维护电流阈值的同时，在屏蔽布置和电加热布置之间施加屏蔽加热电压；和/或在屏蔽布置和电加热布置之间建立预定量的屏蔽加热电流。
测试周期：根据实施例，在屏蔽布置和电加热布置之间施加屏蔽加热电压的步骤配置成使得在屏蔽布置和电加热布置之间的导电性的测试被执行(第一操作实施例，测试周期)。
根据前述实施例的具体实施例，屏蔽加热电压表示测试电压，其中，该方法包括以下附加步骤：
在屏蔽布置和电加热布置之间施加测试电压；确定屏蔽加热电流；如果在施加测试电压时测量的屏蔽加热电流不超过屏蔽加热电流阈值，则确定在屏蔽布置和电加热布置之间的导电性的测试已经成功通过。通过应用前面的具体步骤，通过执行测试周期来提供第一操作实施例。
根据测试周期的具体实施例，预定屏蔽加热电压包括多个增加的测试电压，其中，该方法包括附加步骤：
限定测试电压阈值，例如5 kV；施加多个增加的测试电压直到达到测试电压阈值；确定屏蔽加热电流；以及如果已经施加了多个增加的测试电压并且测量的屏蔽加热电流不超过屏蔽加热电流阈值，则确定测试已经成功通过。
根据实施例，该方法可包括附加步骤：限定至少具有最小屏蔽加热电流阈值和最大屏蔽加热电流阈值的多个屏蔽加热电流阈值；以及根据前面描述的测试周期(第一操作实施例)中的任何重复地执行该方法，同时在测试周期的每次执行中施加多个屏蔽加热电流阈值中的每个屏蔽加热电流阈值，特别是从最小屏蔽加热电流阈值开始，直到达到最大屏蔽加热电流阈值。
修复周期：根据所描述的方法的实施例(第二操作实施例)，其中，在屏蔽布置和电加热布置之间建立预定量的屏蔽加热电流的步骤配置成使得在屏蔽布置和电加热布置之间的导电性降低。例如，屏蔽加热电流的存在导致在屏蔽和加热层之间的电连接扩散，特别是通过在导电的环境中加热材料。
根据具体实施例，屏蔽加热电流是电修复电流，其中，电修复电流超过一定的最小电修复电流阈值和/或不超过一定的最大电修复电流阈值。该方法还包括在屏蔽布置和电加热布置之间建立电修复电流的步骤。
根据实施例，第一操作实施例(测试周期)和第二操作实施例(修复周期)可组合和/或集成，使得在第一步骤中，如果根据测试周期的实施例中的任何的导电性的测试未通过，则执行根据修复周期的方法。
根据附加方面，公开了一种用于风力涡轮的转子，其中，该转子包括根据一个或多个前面描述的实施例的可旋转毂和至少一个转子叶片。转子叶片能够旋转地安装到毂，其中，毂包括用于使转子叶片围绕转子叶片的变桨轴线旋转的变桨组件。
在另一个方面，本公开涉及包括根据用于风力涡轮的转子的前述实施例中的一个的转子的风力涡轮。
附加地或备选地，公开了一种风力涡轮，其中，该风力涡轮包括：可旋转毂，其连接到发电机，使得发电机可通过转子旋转并产生其电能；以及根据系统的前述实施例中的任何的系统，其中，该结构构造为能够旋转地安装到毂的转子叶片，并且其中，控制器配置成用于执行根据第一操作实施例(测试周期)和/或第二操作实施例(修复周期)的方法。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将被进一步支持和描述。并入并构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
技术方案1. 一种系统，包括：
结构，其容易发生雷击和结冰，其中，所述结构包括
屏蔽布置(140)，其电连接到雷电布置(160)；
电加热布置(150)，其连接到功率源(180)，用于减轻所述结构的结冰；和
电绝缘布置(146)，其有效地设置在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间；
所述功率源(180)，其配置用于在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加预定量的电测试能量和/或维护能量(182)；和
确定设备(190)，其电连接到所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)，使得可确定存在于所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间的屏蔽加热电压和/或屏蔽加热电流，其中，所述屏蔽加热电压和所述屏蔽加热电流由预定的所述电测试能量和/或维持能量(182)的提供造成。
技术方案2. 根据技术方案1所述的系统，包括控制器(36, 186)，所述控制器配置成用于控制所述功率源(180)，使得
所述预定量的电测试能量和/或维护能量(182)被施加在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间，
所述屏蔽加热电压被施加(212)在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间，同时所述屏蔽加热电流被限制到至少一个屏蔽加热电流阈值，和/或
在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间建立(302)预定量的屏蔽加热电流。
技术方案3. 根据技术方案1或2所述的系统，包括具有雷电接受器(162)的雷电布置(160)、能够与接地布置(24)有效地连接的接地设备(164)、以及将所述雷电接受器(162)与所述接地设备(164)连接的导电装置(166)，特别地其中，所述雷电布置(160)与所述确定设备(190)电连接。
技术方案4. 根据前述技术方案中任一项所述的系统，其中，所述结构构造为用于风力涡轮(10)的转子叶片(100)或飞行器的一部分，特别地其中，所述飞行器的所述部分至少部分地包括机翼、尾翼或转子叶片。
技术方案5. 根据前述技术方案中任一项所述的系统，
其中，所述结构至少部分地包括纤维增强部分(128)，所述纤维增强部分(128)构造为用于至少限定所述结构的外部形状的蒙皮(130)，
其中，所述纤维增强部分(128)至少包括至少一个外层(130)、至少一个内层(136)、所述绝缘布置(146)的至少一个绝缘层(148)、所述屏蔽布置(140)的至少一个屏蔽层(142)、以及所述电加热布置(150)的至少一个加热层(152, 154)，
其中，所述绝缘层(148)布置在所述屏蔽层(142)和所述加热层(152, 154)之间，
其中，所述屏蔽层(142)、所述绝缘层(148)和所述加热层(152, 154)布置在所述外层(130)和所述内层(136)之间，并且
其中，所述屏蔽层(142)布置成比所述加热层(152, 154)更靠近所述外层(130)。
技术方案6. 根据前述技术方案中任一项所述的系统，其中，所述绝缘布置(146)和/或所述绝缘层(148)至少部分地由自愈合材料制成。
技术方案7. 一种用于操作根据前述技术方案中任一项所述的系统的方法，所述方法包括以下步骤：
经由所述功率源(180)在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加所述预定量的所述电测试能量和/或维护能量(182)，
在所述屏蔽加热电流被限制到至少一个维护电流阈值的同时，在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加(212)所述屏蔽加热电压，和/或
在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间建立(302)预定量的所述屏蔽加热电流。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，其中，在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加(212)所述屏蔽加热电压的所述步骤配置成使得在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间的导电性(184)的测试(200)被执行。
技术方案9. 根据技术方案7或8所述的方法，其中，所述屏蔽加热电压是测试电压，所述方法还包括以下步骤：
在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加(212)所述测试电压，
确定(204)所述屏蔽加热电流，
如果在施加所述测试电压的同时所述测量的屏蔽加热电流不超过所述屏蔽加热电流阈值，则确定(206)在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间的导电性(184)的测试(200)成功通过。
技术方案10. 根据技术方案7至9中任一项所述的方法，其中，所述预定屏蔽加热电压包括多个增加的测试电压，所述方法还包括：
限定测试电压阈值(214)，
施加(212)所述多个增加的测试电压直至达到所述测试电压阈值，
确定(204)所述屏蔽加热电流，以及
如果已经施加了所述多个增加的测试电压并且所述测量的屏蔽加热电流不超过所述屏蔽加热电流阈值，则确定(216)所述测试已经成功通过。
技术方案11. 一种用于操作根据技术方案1至6中任一项所述的系统的方法，所述方法包括以下步骤：
限定多个屏蔽加热电流阈值，所述多个屏蔽加热电流阈值至少具有最小屏蔽加热电流阈值和最大屏蔽加热电流阈值；
重复执行根据前述技术方案7至11中任一项所述的方法，同时在根据前述技术方案7至10中任一项所述的方法的每次执行中施加所述多个屏蔽加热电流阈值中的每个屏蔽加热电流阈值。
技术方案12. 根据技术方案7至11中任一项所述的方法，其中，在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间建立(302)预定量的所述屏蔽加热电流的所述步骤配置成使得在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间的导电性(184)降低(300)。
技术方案13. 根据技术方案7至12中任一项所述的方法，其中，所述屏蔽加热电流是电修复电流，其中，所述电修复电流超过电修复电流阈值，所述方法还包括以下步骤：
在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间建立(302)所述电修复电流。
技术方案14. 一种用于操作根据技术方案1至6中任一项所述的系统的方法，所述方法包括以下步骤：
如果根据技术方案8至11中任一项所述的导电性(184)的所述测试(200)未通过，则执行根据技术方案12或13所述的方法；和
重复进行根据技术方案8至11中任一项所述的导电性(184)的所述测试(200)。
技术方案15. 一种风力涡轮(10)，包括：
可旋转毂(20)，其连接到发电机(42)，使得所述发电机(42)可由所述转子(18)旋转并生成其电能；和
根据技术方案2至6中任一项所述的系统，
其中，所述结构构造为能够旋转地安装到所述毂(20)的转子叶片(100)，并且
其中，所述控制器(36, 186)配置成用于执行根据前述技术方案7至14中任一项所述的方法。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，其中：
图1图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示根据本公开的风力涡轮的机舱的一个实施例的简化内部视图，特别地图示了在正常操作期间的机舱；
图3示意性地图示图1的风力涡轮的转子叶片的实施例；和
图4是图3的转子叶片的蒙皮的构造的示意图；和
图5是描述第一操作实施例和第二操作实施例的流程图。
附图中描绘的单个特征相对于彼此相对地示出，并且因此不一定按比例绘制。即使在不同的实施例中显示，附图中相似或相同的元件也用相同的附图标记表示。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被图示。每个示例都通过对本发明的解释的方式来提供，该解释不应限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型，例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
图1是示例性风力涡轮10的透视图。在示例性实施例中，风力涡轮10是水平轴线风力涡轮。备选地，风力涡轮10可为竖直轴线风力涡轮。在示例性实施例中，风力涡轮10包括从支撑系统14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的毂20和至少一个转子叶片100，所述至少一个转子叶片联接到毂20并从毂20向外延伸。在示例性实施例中，转子18具有三个转子叶片100。在备选实施例中，转子18包括多于或少于三个转子叶片100。在示例性实施例中，塔架12由管状钢制成，以在支撑系统14和机舱16之间限定空腔(图1中未示出)。在备选实施例中，塔架12是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。
转子叶片100围绕毂20间隔开，以便于旋转转子18，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。转子叶片100通过在多个负载转移区域26处将根部部段110联接到毂20而配合到毂20。负载转移区域26可具有毂负载转移区域和叶片负载转移区域(图1中均未示出)。导引至转子叶片100的负载经由负载转移区域26转移到毂20。
在一个实施例中，转子叶片100具有范围从约15米(m)到约91m的长度。备选地，转子叶片100可具有使得风力涡轮10能够如本文所述起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的其它非限制性示例包括20 m或更短、37 m、48.7 m、50.2 m、52.2 m或大于91 m的长度。当风从风向28撞击转子叶片100时，转子18围绕旋转轴线30旋转。当转子叶片100旋转并受到离心力时，转子叶片100也受到各种力和力矩。照此，转子叶片100可从中性或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。
此外，转子叶片100的桨距角(即确定转子叶片100相对于风向的视角的角度)可由变桨系统32改变，以通过调节至少一个转子叶片100相对于风矢量的角向位置来控制由风力涡轮10产生的负载和功率。示出了转子叶片100的变桨轴线34。在风力涡轮10的操作期间，变桨系统32可改变转子叶片100的桨距角，使得转子叶片100移动到顺桨位置，使得至少一个转子叶片100相对于风矢量的视角提供朝向风矢量定向的转子叶片100的最小表面积，这有利于降低旋转速度和/或有利于转子18的失速。
在示例性实施例中，每个转子叶片100的叶片桨距由风力涡轮控制器36或变桨控制系统80单独控制。备选地，针对所有转子叶片100的叶片桨距可由所述控制系统同时控制。
此外，在示例性实施例中，随着风向28改变，机舱16的偏航方向可围绕偏航轴线38旋转，以相对于风向28定位转子叶片100。
在示例性实施例中，风力涡轮控制器36示出为集中在机舱16内，然而，风力涡轮控制器36可为遍布风力涡轮10、在支撑系统14上、在风电场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。风力涡轮控制器36包括处理器40，处理器40配置成执行本文中描述的方法和/或步骤。此外，本文中描述的许多其它部件包括处理器。如本文所用，术语“处理器”不限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是广义地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。应当理解，处理器和/或控制系统也可包括存储器、输入通道和/或输出通道。
图2是风力涡轮10的一部分的放大截面图。在示例性实施例中，风力涡轮10包括机舱16和能够旋转地联接到机舱16的转子18。更具体地，转子18的毂20通过主轴44、齿轮箱46、高速轴48和联轴器50能够旋转地联接到定位在机舱16内的发电机42。在示例性实施例中，主轴44设置成至少部分与机舱16的纵向轴线(未示出)同轴。主轴44的旋转驱动齿轮箱46，齿轮箱46随后通过将转子18和主轴44的相对较慢的旋转运动转化为高速轴48的相对较快的旋转运动来驱动高速轴48。高速轴48借助于联轴器50连接到发电机42，用于产生电能。
齿轮箱46和发电机42可由机舱16的主支撑结构框架支撑，该主支撑结构框架可选地实施为主框架52。齿轮箱46可包括通过一个或多个扭矩臂连接到主框架52的齿轮箱壳体。在示例性实施例中，机舱16还包括主前支撑轴承60和主后支撑轴承62。此外，发电机42可通过脱离支撑装置54安装到主框架52，特别是为了防止发电机42的振动被引入到主框架52中，并因此导致噪声发射源。
优选地，主框架52构造成承载由转子18和机舱16的部件的重量以及由风和旋转负载引起的全部负载，并且进一步将这些负载引入到风力涡轮10的塔架12中。转子轴44、发电机42、齿轮箱46、高速轴48、联接器50以及任何相关联的紧固、支撑和/或固定设备，包括但不限于支撑件52以及前支撑轴承60和后支撑轴承62，有时被称为传动系64。
机舱16还可包括偏航驱动机构56，偏航驱动机构56可用于使机舱16旋转，并且因此也使转子18围绕偏航轴线38旋转，以控制转子叶片100相对于风向28的视角。
为了相对于风向28适当地定位机舱，机舱16还可包括至少一个气象桅杆58，所述至少一个气象桅杆58可包括风向标和风速计(均未在图2中示出)。桅杆58向风力涡轮控制器36提供信息，该信息可包括风向和/或风速。
在示例性实施例中，变桨系统32至少部分地布置为毂20中的变桨组件66。变桨组件66包括一个或多个变桨驱动系统68和至少一个传感器70。每个变桨驱动系统68联接到相应的转子叶片100(图1中示出)，用于沿着变桨轴线34调制转子叶片100的桨距角。图2中仅示出了三个变桨驱动系统68中的一个。
在示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个变桨轴承72，所述至少一个变桨轴承72联接到毂20和相应的转子叶片100(图1中示出)，用于使相应的转子叶片100围绕变桨轴线34旋转。变桨驱动系统68包括变桨驱动马达74、变桨驱动齿轮箱76和变桨驱动小齿轮78。变桨驱动马达74联接到变桨驱动齿轮箱76，使得变桨驱动马达74将机械力施加到变桨驱动齿轮箱76。变桨驱动齿轮箱76联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78由变桨驱动齿轮箱76旋转。变桨轴承72联接到变桨驱动小齿轮78，使得变桨驱动小齿轮78的旋转导致变桨轴承72的旋转。
变桨驱动系统68联接到风力涡轮控制器36，用于在从风力涡轮控制器36接收到一个或多个信号时调节转子叶片100的桨距角。在示例性实施例中，变桨驱动马达74是由电功率和/或液压系统驱动的任何合适的马达，其使得变桨组件66能够如本文所述起作用。备选地，变桨组件66可包括任何合适的结构、构型、布置和/或部件，诸如但不限于液压缸、弹簧和/或伺服机构。在某些实施例中，变桨驱动马达74由从毂20的转动惯量和/或向风力涡轮10的部件供应能量的存储能量源(未示出)提取的能量驱动。
变桨组件66还包括一个或多个变桨控制系统80，用于在特定的优先情况下和/或在转子18超速期间根据来自风力涡轮控制器36的控制信号来控制变桨驱动系统68。在示例性实施例中，变桨组件66包括至少一个变桨控制系统80，所述至少一个变桨控制系统80通信地联接到相应的变桨驱动系统68，用于独立于风力涡轮控制器36控制变桨驱动系统68。在示例性实施例中，变桨控制系统80联接到变桨驱动系统68和传感器70。在风力涡轮10的正常操作期间，风力涡轮控制器36控制变桨驱动系统68来调节转子叶片100的桨距角。
在一个实施例中，特别是当转子18在转子超速下操作时，变桨控制系统80超弛风力涡轮控制器36，使得风力涡轮控制器36不再控制变桨控制系统80和变桨驱动系统68。因此，变桨控制系统80能够使变桨驱动系统68将转子叶片100移动到顺桨位置，以降低转子18的旋转速度。
根据实施例，例如包括电池和/或电容器的功率发生器84布置在毂20处或毂20内，并且联接到传感器70、变桨控制系统80和变桨驱动系统68，以向这些部件提供功率源。在示例性实施例中，功率发生器84在风力涡轮10的操作期间向变桨组件66提供持续的功率源。在备选实施例中，功率发生器84仅在风力涡轮10的电功率损失事件期间向变桨组件66提供功率。电功率损失事件可包括电力网损失或电压跌落、风力涡轮10的电气系统的失灵和/或风力涡轮控制器36的故障。在电功率损失事件期间，功率发生器84操作以向变桨组件66提供电功率，使得变桨组件66可在电功率损失事件期间操作。
在示例性实施例中，变桨驱动系统68、传感器70、变桨控制系统80、线缆和功率发生器84各自定位在由毂20的内表面88限定的空腔86中。在备选实施例中，所述部件相对于毂20的外表面90定位，并且可直接地或间接地联接到外表面90。
图3是根据具体实施例的转子叶片100的非限制性示意图，其中，毂20的一部分由虚线示出。包括转子叶片100和毂20的整个转子18能够围绕旋转轴线30旋转。
根据图3的主题的表示，变桨轴线34与转子叶片100的纵向轴线102相同，其中，转子叶片的纵向轴线也可不同于变桨轴线，例如当具有弯曲叶片时。
当描述转子叶片100时，根据纵向轴线102限定纵向方向104，并且根据转子叶片100的翼弦106确定弦向方向108。
转子叶片100可结构化在尖端部段120、根部部段110和连接根部部段110与尖端部段120的中间部段118中。转子叶片100包括在根部部段110中的叶片根部112和在尖端部段120中的叶片尖端122。转子叶片100还包括由蒙皮130形成的吸力表面和压力表面。压力表面和吸力表面通过后缘126和前缘124连接，两者在弦向方向108上形成转子叶片表面的边界。
转子叶片100包括用于接收雷击并将雷电能量传导到风力涡轮10的接地布置24中的雷电布置160、屏蔽布置140和电加热布置150。屏蔽布置140和电加热布置150布置在蒙皮130中或直接在蒙皮130的内表面或外表面处。
雷电布置160可包括一个或多个雷电接受器162，例如，该雷电接受器162布置在尖端部段120中并且构造成用于在雷电情况期间接收雷电球，并且还至少包括接地设备164。
接地设备164构造成用于能够将雷击的电能传导到风力涡轮10的接地布置24中，其中，在接地设备164和接地布置24之间的电连接可根据其适合性来选择。例如，这样的电连接可由导电装置166提供，例如，导电装置166包括合适的火花间隙或拱形布置。
此外，提供功率源180和确定设备190，其中，功率源180和确定设备190电连接到加热布置150和屏蔽布置140。功率源180和确定设备190可组合在一个单一技术部件中，其中，可提供控制器186以便控制功率源180和/或确定设备190。根据实施例，确定设备190可为测量设备，其可实施为特定部件，该特定部件可集成在风力涡轮的功率源180和/或控制器36中。
控制器186、功率源180和/或确定设备190可通过传感器连接装置192(例如线缆)连接到至少一个温度传感器194，其中，温度传感器194可布置在蒙皮180和包括电加热布置150的区域中，或者布置到不具有电加热布置150的区域。
图4是通过转子叶片100的蒙皮130的示意性截面图，示出了蒙皮130的层的可能但不是限制性的构造。蒙皮130的内表面至少部分地由内层136形成。当朝向蒙皮130的外表面移动时，内层136之后是电加热布置150的第一加热层152和第二加热层154。包括屏蔽层142的屏蔽布置140借助包括至少一个绝缘层148的绝缘布置146相对于电加热布置150的第一加热层152和第二加热层154电绝缘。蒙皮130的外表面由外层134形成，该外层134优选地通过凝胶涂层132相对于环境密封。
加热布置150通过加热导体156连接到功率源180。出于安全原因，加热布置150还连接到雷电布置160的导电装置166，其中，浪涌保护设备158电气地设置在雷电布置160的导电装置166和电加热布置150之间。因此，在电加热布置150中存在过电压情况的情况下，多余的电能可经由浪涌保护设备158传导到雷电布置160中，以便保护功率源180和/或确定设备190。
此外，屏蔽布置140通过屏蔽导体144电连接到功率源180和/或确定设备190。
功率源180配置成用于施加预定量的电测试能量和/或维护能量182，使得电测试能量和/或维护能量182有效地存在于屏蔽布置140和电加热布置150之间。例如，将电测试能量和/或维护能量182提供给屏蔽布置140和电加热布置150，使得作为结果在屏蔽布置140和电加热布置150之间有效地施加屏蔽加热电压。
此外，如果蒙皮130处于合适的状态下，作为提供电测试能量和/或维护能量182的结果，屏蔽加热电流在屏蔽布置140和电加热布置150之间流动，或者反之亦然。因此，屏蔽加热电压和屏蔽加热电流是由提供预定的电测试能量和/或维护能量182造成的。
确定设备190以这样的方式电连接到屏蔽布置140和电加热布置150，使得可以确定存在于屏蔽布置140和电加热布置150之间的屏蔽加热电压和/或屏蔽加热电流。
图5是针对应用测试周期检查绝缘布置146的功能的方法以及此外针对应用修复周期300恢复绝缘布置146的功能的方法的示意性流程图。
该过程通常可通过限定202第一屏蔽加热电流阈值开始，其中，屏蔽加热电流阈值表示在测试周期的执行期间，特别是仅在测试周期的执行期间，在电加热布置150中的屏蔽布置140之间的接受电流泄漏。测试周期可在各种迭代(循环)中执行。特别地，屏蔽加热电流阈值从每次迭代到后续迭代不断减少，例如从10 mA开始，随后施加5 mA，其中，在1 mA之后用作可接受的屏蔽加热电流阈值。根据可选的备选方案，屏蔽加热电流阈值从每次迭代到后续迭代不断增加，例如从1 mA开始，随后施加5 mA，其中，在10 mA之后用作可接受的屏蔽加热电流阈值。
在步骤212中，限定施加何种测试电压(针对测试周期的循环的测试电压的电压斜坡，例如以100 V的步进将每个循环从0(0.5) kV增加到5 kV)和第一测试电压。作为在步骤212中施加测试电压的结果，由确定设备190建立并确定在屏蔽布置140和电加热布置150之间的屏蔽加热电流。在步骤206中，分析由于施加测试电压(第一测试电压)而导致的屏蔽加热电流是否超过如在步骤202中确定的(第一)屏蔽加热电流阈值。如果不是这样，则由转子叶片(系统)已经成功地通过了测试周期的第一个循环。
随后，测试电压被增加208到其下一个更高的值(第二测试电压)，并且在步骤216中重复进行测试。如果已经施加多个测试电压直到测试电压的最大值，并且测试周期已经成功通过，则屏蔽加热电流阈值增加到第二屏蔽加热电流阈值，并且重复进行测试周期，施加多个测试电压。最后，如果由最高测试电压产生的确定的屏蔽加热电流低于可接受的屏蔽加热电流阈值，则由转子叶片成功地通过了测试周期。
如果测试周期未通过，则可应用修复周期300。例如，如果在步骤206中确定屏蔽加热电流超过相应的屏蔽加热电流阈值示例，则由控制器186确定在屏蔽布置140和电加热布置150之间必须存在不可接受的导电性184。因此，加热布置150和转子叶片100的另外的部件在雷击期间不会被充分保护以防止过电压。因此，例如，通过应用修复周期300(第二操作实施例)，将改进绝缘布置146的绝缘功能。
在修复周期300的步骤302期间，在屏蔽布置140和电加热布置150之间提供特定量和质量的屏蔽加热电流(电修复电流)，以便通过导电性184。作为结果，导电性184由于电修复电流而升温，这最终可导致导电性184的劣化。导电性的所述劣化导致增加的绝缘功能，例如由于转子叶片的材料的熔化，和/或由于烧毁导电性184。随后，可重复执行测试周期，以便确定绝缘布置146是否按要求工作。
本领域技术人员知道，测试周期和修复周期可重复和迭代地执行，例如，如果在修复周期300期间仅施加了较低的第一电修复电流时测试周期200未通过，则电修复电流可从第一电修复电流增加到较高的后续电修复电流。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例，例如加热层为152、154，并且绝缘层148可不同于图3中所示那样布置。如果这些其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
附图标记
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 351605DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003

Claims (10)

1. 一种系统，包括：
结构，其容易发生雷击和结冰，其中，所述结构包括
屏蔽布置(140)，其电连接到雷电布置(160)；
电加热布置(150)，其连接到功率源(180)，用于减轻所述结构的结冰；和
电绝缘布置(146)，其有效地设置在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间；
所述功率源(180)，其配置用于在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加预定量的电测试能量和/或维护能量(182)；和
确定设备(190)，其电连接到所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)，使得可确定存在于所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间的屏蔽加热电压和/或屏蔽加热电流，其中，所述屏蔽加热电压和所述屏蔽加热电流由预定的所述电测试能量和/或维持能量(182)的提供造成。
2. 根据权利要求1所述的系统，包括控制器(36, 186)，所述控制器配置成用于控制所述功率源(180)，使得
所述预定量的电测试能量和/或维护能量(182)被施加在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间，
所述屏蔽加热电压被施加(212)在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间，同时所述屏蔽加热电流被限制到至少一个屏蔽加热电流阈值，和/或
在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间建立(302)预定量的屏蔽加热电流。
3.根据权利要求1或2所述的系统，包括具有雷电接受器(162)的雷电布置(160)、能够与接地布置(24)有效地连接的接地设备(164)、以及将所述雷电接受器(162)与所述接地设备(164)连接的导电装置(166)，特别地其中，所述雷电布置(160)与所述确定设备(190)电连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述结构构造为用于风力涡轮(10)的转子叶片(100)或飞行器的一部分，特别地其中，所述飞行器的所述部分至少部分地包括机翼、尾翼或转子叶片。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，
其中，所述结构至少部分地包括纤维增强部分(128)，所述纤维增强部分(128)构造为用于至少限定所述结构的外部形状的蒙皮(130)，
其中，所述纤维增强部分(128)至少包括至少一个外层(130)、至少一个内层(136)、所述绝缘布置(146)的至少一个绝缘层(148)、所述屏蔽布置(140)的至少一个屏蔽层(142)、以及所述电加热布置(150)的至少一个加热层(152, 154)，
其中，所述绝缘层(148)布置在所述屏蔽层(142)和所述加热层(152, 154)之间，
其中，所述屏蔽层(142)、所述绝缘层(148)和所述加热层(152, 154)布置在所述外层(130)和所述内层(136)之间，并且
其中，所述屏蔽层(142)布置成比所述加热层(152, 154)更靠近所述外层(130)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述绝缘布置(146)和/或所述绝缘层(148)至少部分地由自愈合材料制成。
7.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的系统的方法，所述方法包括以下步骤：
经由所述功率源(180)在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加所述预定量的所述电测试能量和/或维护能量(182)，
在所述屏蔽加热电流被限制到至少一个维护电流阈值的同时，在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加(212)所述屏蔽加热电压，和/或
在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间建立(302)预定量的所述屏蔽加热电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加(212)所述屏蔽加热电压的所述步骤配置成使得在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间的导电性(184)的测试(200)被执行。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述屏蔽加热电压是测试电压，所述方法还包括以下步骤：
在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间施加(212)所述测试电压，
确定(204)所述屏蔽加热电流，
如果在施加所述测试电压的同时所述测量的屏蔽加热电流不超过所述屏蔽加热电流阈值，则确定(206)在所述屏蔽布置(140)和所述电加热布置(150)之间的导电性(184)的测试(200)成功通过。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所述预定屏蔽加热电压包括多个增加的测试电压，所述方法还包括：
限定测试电压阈值(214)，
施加(212)所述多个增加的测试电压直至达到所述测试电压阈值，
确定(204)所述屏蔽加热电流，以及
如果已经施加了所述多个增加的测试电压并且所述测量的屏蔽加热电流不超过所述屏蔽加热电流阈值，则确定(216)所述测试已经成功通过。
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