专利名称：风力叶片组件以及降低负载或应力的方法
技术领域：
压电材料可以完成两个期望的功能。当受到机械应力时，例如弯曲，压缩或挠曲，压电材料能够产生可以储存或使用的电荷。此外，如果电场作用到压电材料上，其能够引起压电材料变形。
背景技术：
将压电陶瓷材料制成柔性纤维的制造工艺已经发展。更具体地，Advanced Cerametrics Inc.(ACI)已经生产能够获取能量，主动控制结构或供给电子系统能量的柔性的锆钛酸铅(zirconate titanate，简称PZT)陶瓷纤维。
压电纤维可以用在“智能(smart)”传感器中以感测结构的完好，或执行自我调节，或减震的功能。在这一点上，压电材料，例如ACI的PZT陶瓷纤维可以嵌入复合材料中或连接到构件的外表面。这样的组件通过首次检测运动的变化利用了纤维的机械特性。这样产生了可以送到电路的电信号。然后电路将转送加固纤维或放松纤维的信号，这样产生自我调节或“智能”的构件。例如，已经发展了使用ACI的PZT纤维以主动减震的“智能”网球拍。在球拍的框架上配备了包括压电纤维的能量转换器以产生传递到布置在球拍手柄内的电路的低电流。释放储存的电能流回纤维，该纤维变形以抵消震动。
众所周知，在风速很大时，将出现趋向于缩短风力涡轮机寿命的高应变的最大部分。风力涡轮机通常配备有测量系统和控制系统以使它们独立地对风力的变化作出反应。这些系统设计为当将疲劳和最大负载的影响最小化的同时，将获得的能量最大化。通过传感器的工艺水平和控制叶片倾角的机械系统，转子的转动等限制了这些控制系统的效果。在这一点上，测量系统和检测器设置在反作用模式中特殊的风力发动机的必要操作中，对风力涡轮机已经存在的条件作出反应。在高风速的情况下监测风况和降低能源输出的已知方法使其变得可能，例如，在具有控制转子速度和/或转子倾角以在不增加元件的应力的情况下在转子直径和发电机性能之间获得高比率的算法控制器的变速倾斜电厂中。
发明内容
叶片的重量和因此造成的能源的消耗(COE)取决于风作用于超负载涡轮机结构的刚度，风力太大而不能完全转换为电能。超负载必须得到缓解或者构件必须设计成能够支撑它。传统的俯仰轴系统提供了在支撑高风速的条件下减轻结构负载，但是它们的反应速率比较慢。因此，本发明建议通过活动的阻尼来减少负载，提供叶片的应变压力反馈为主动控制减少负载，和/或提供现时的叶片状况和应变数据。根据本发明的一个具体实施例，压电纤维嵌入或者安装于风力涡轮机的叶片构件中，从而检测和抵消有害的震动和变形。此外，或在可替换的实施例中，由压电纤维提供的信息用于增强主动控制的方法，和/或提供现时各个叶片的应变和状况的资料。
因此，本发明具体表现为，一种风力涡轮机叶片的组件包括安装在毂盘上的多个叶片；每个所述的叶片包括一压电阻尼系统，压电阻尼系统包括至少一个能量转换器，其安装于所述的叶片上或者嵌入所述叶片，和至少一电子回路，位于所述叶片中或者安装到所述叶片上，并且与所述至少一个能量转换器电连接，所述的回路包括至少一个存储部件，其设备用于存储来自从至少一个所述的能量转换器抽取的能量；并且其中储存的能量供回给至少一个所述的能量转换器，并且所述的能量转换器将所述的电能转换为机械能，所述的机械能适用于主动加固所述叶片。
本发明还具体表现为降低包括安装到毂盘上多个叶片的风力涡轮机的叶片组件的叶片中的负载或应变的方法，其包括将压电阻尼系统嵌入叶片中或者安装到所述的叶片上，所述的压电阻尼系统包括至少一个能量转换器和至少一个与所述的至少一个能量转换器电连接的电路，所述的回路包括至少一个存储元件，其被配置用于存储从至少一个所述的能量转换器中抽取的能量；存储从至少一个所述的能量转换器和所述的存储元件中抽取的能量；将所述的存储能量供回给至少一个所述的能量转换器；并且将所述的电能转化为机械能以主动加固所述的叶片。
结合附图，通过仔细研究本发明的目前的优选实施例的更详细的说明，将更完全的理解和明白本发明的这些和其它目标和优点，其中图1是风力涡轮机组件的侧视图；图2是一示例风力叶片的截面图；图3是另一示例风力叶片的另一截面图；图4是风力叶片的平面图；图5是示出了本发明的第一实施例的叶根的示意图；图6是示出了本发明的第二实施例的叶根的示意图；图7是示出了本发明的第三实施例的叶根的示意图；图8是示出根据本发明的一个实施例，在俯仰轴控制系统中，具有压电纤维的主动负载或应变阻尼如何限制响应的第一电波的示意图。
部件列表涡轮机10叶片12，12’，12”毂盘14发电机16塔18控制室20翼罩24，24’，24”，124，224，324叶片的根部26，126叶片的顶部28能量转换器130采集定时回路/装置132控制器/放大器232传感条234
外加的能量236汇流环238信号340传感条334汇流环342汇流环34具体实施方式
图1示意性的示出了一种风力涡轮机。涡轮机10总体上包括多个连接于毂盘14上的风力叶片12，例如2个或3个叶片。叶片质量轻但是强度高，以减弱风力的冲击。叶片可使用空气动力控制，例如副翼或者风力制动器(未示出)来控制速度。毂盘与驱动链(未示出)连接，该驱动链可以是柔性的以最小化结构负载。该机构与发电机16连接。为了暴露在更强的风中，整个机构布置在塔结构18上。控制室20设置在涡轮机10上或者附近，并且包括，或可操作地连接到，控制计算机上以通过设置在涡轮机上或与涡轮机连接的传感器(未示出)监测风力状况以及目前的结构和叶片的速度，并且完成控制策略。
常见的俯仰轴控制器具有使风力叶片向下旋转的能力，这样，在风力增大的情况下减少冲击角度从而减小叶片的作用力。这种类型的系统的问题在于倾斜的发动机反应和使叶片转到预期位置较慢。当俯仰轴控制器起作用并广泛使用于风力涡轮机工业的同时，如果其能够迅速反应，其不能减小叶片的负载。
在本发明的一个具体实施例中，在风力叶片上结合或配备压电纤维以形成“智能叶片”，提供主动阻尼将风力条件变化的风力叶片的第一反应最小化，以通过降小叶片的负载直到俯仰轴控制系统能跟上变化条件以有效的节省时间。这样，压电纤维通过将纤维产生的电流返还给同样的纤维或者具有正确时间控制的领近能量转换器中的纤维来减少负载，从而抵消比如弯曲、扭曲叶片的作用力。因此，本发明提供了第二控制系统，该控制系统能快速响应以扩大和延伸最初的(俯仰轴)控制系统的能力，该最初控制系统反应慢但有效并可靠。
因此，如以下更详细的说明和通过以下示意性的例子，在具体实施例中，风力涡轮机的叶片具有自供给能量的阻尼系统，其包括至少一个安装或者结合在叶片上的能量转换器，所述至少一个能量转换器将变形上的机械能转换为电能，和一与能量转换器连接的电子回路。在第一个具体实施例中，以下参照图5更为详尽的描述，电子回路提供能量或者电能给能量转换器，其中所有提供给能量转换器的能量或电能都来源于从机械能变形中抽取的能量。能量转换器将电能转换为机械能以抵消例如风力施加给风力叶片的负载。
图2和3示出了本发明可以实行的典型的叶片12’、12”的横截面。如示出的，叶片包括载荷翼罩24’、24”，其通常从叶片的根部26到顶部28伸展叶片的长度。图4是叶片12的俯视图，其示出了典型的叶片结构并描述了可见叶片表面的载荷翼罩24。
图5示出了本发明第一具体实施例中叶片根部126的放大示意图。在使用这种风力叶片期间，将至少一个能量转换器结合或者安装于叶片出现最大变形的区域上。更为特别的是，由于预期的最大变形在此，此区域位于叶片的前表面或者相对的后表面，通常在翼罩124上或者在其附近。在图5示意性的示出中，能量转换器(参照130示意标记)结合于翼罩结构124中。即使这样，一个或多个离散的能量转换器可以沿着叶片的一部分或沿着整个叶片设置。能量转换器可以设置在风力叶片的一侧或是两侧。此外，可以在一侧堆积更多的能量转换器以提高风力叶片的性能。
在一具体实施例中，能量转换器130是由用于促使或感应构件变形组合物，其包括平行布置的柔性的、可伸长的的纤维。每一纤维基本上彼此相互平行，邻近的纤维被相对软的可变形的聚合体隔开，聚合体中包含可改变聚合体的电和弹性特性的附加物。在该实施例中，组合物还包括沿着纤维轴向延伸的柔软的导电的电极材料，用于利用和监测电磁场。在该实施例中，纤维是包含有压电材料的电陶瓷纤维，在美国专利No.5869189和美国申请号No.09/918437中更为详细的描述了这种类型的能量转换器，它们每个公开的内容在此作为参考引入。
可替换地，结合的压电纤维的能量转换器可以设置在翼罩124的表面，或叶片内的其它地方，或在叶片上以便在挠度方式下提供促发。在具体实施例中，在叶片框架上分层布置的至少一个能量转换器包括在多元聚合酯基材料上的银油墨平面印刷互感电极(IDE)，单向排列的PZT-5A引导基压电纤维和热固树脂母质材料。
示例的能量转换器在美国专利No.5869189和美国申请No.09/918437中进行了说明，其公开的内容引入参考。可以使用于本发明的一种商售的能量转换器是一种作为“智能层”的已知的主动的纤维复合层(美国Mass，Billerica，Continuum控制公司)。
如上所提及的，能量转换器具有双重目的促发和感应。它们用来感应叶片内的应变，并通过电极辅助系统将电输出提供给电子回路，一旦感应到叶片变形时它们也可以用于促发风力叶片。实际上，压电纤维就是能量转换器，将机械变形转换为电能和，反之亦然。当变形时，它们形成表面电荷，相反的，当应用于电磁场时，变形将会减小。由于风力的影响，风力叶片中的机械应变使能量转换器变形，拉紧了压电纤维。互感电极收集由拉紧的压电纤维产生的表面电荷，并且为电荷提供电路以适当的电子回路。相反地，互感电极还提供电路来驱动能量转换器中的压电纤维抵抗由风力影响的风力叶片内产生的震动。
如上所述，根据本发明的具体实施例，电和/或磁场用于将能量传入或传出给压电纤维。如图5中示意性的示出，在该具体实施例中，来自于基于叶片训练的压电纤维产生的能量在叶根附近被收集。装置132储存产生于压电纤维的能量并且有选择的同步释放出能量来抵消负载，同时，促发叶片的俯仰轴控制系统，将叶片重新定位以降低负载。当采用多于一个的能量转换器时，所有的能量转换器可以电连接于同样的电子回路上。根据实施例，通过所谓的柔性回路的方式建立连接，该回路在叶片的框架上层叠或嵌入其中。电子回路，其最佳包括用来存储从至少一个能量转换器抽取出来的能量的存储部件，可以有利的设置在叶片的根部。
和本发明风力叶片一起使用的电子回路可以自我供应能量，例如没有外界能源，例如电池是必要的。目前，为此提出的电子回路包含采用标准表安装技术(SMT)装有主动和被动元件的印刷导线板(PWB)。电子回路的元件可以包括，高压MOSFETS，电容，电阻，晶体管，电感和其他的元件。电子回路或电子板的作用是从能量转换器的促发器中抽取负荷，暂时的储存，并重新以这种方式利用它来减小或抑制风力叶片的负载或应力。电子回路的具体实施方式
在作为参考引入的美国专利No.5869189和美国申请No.09/918437中已经描述。
如上所提及的，压电纤维使用的一种方式是通过使用产生于训练的叶片(没有外加的来自系统的能量)电脉冲的工作来抵消负载的趋势。在一选择的方式中，由于无论在任何时间需要保持负载或应变低于规定的限值并允许俯仰轴系统能跟上，脉冲可以供给系统的控制计算机和返回一个及时的、放大的和持续的信号给叶片。参照图6-7，这种方法在以下做了详尽的描述。
后者的办法特别有效，因为它允许叶片规定最大化的负载，并且确保不会超出。特殊能量的供给可以较大的缓和和较长动作来抵消风力产生的应力，在这一点上，装入的压电纤维被认为类似人的肌肉。假如某个人想弯曲手臂不在正确的位置上，肌肉就会抵消这种应力从而避免手臂的损伤。
现在更具体地参照在图6中示出的第二个具体实施例，一隔离条234嵌入压电纤维例如PZT纤维、布雷格光栅光学纤维或其他合适的沿着翼罩124延伸设置或设置在翼罩124上的传感器。在该具体实施例中，如上面所提到的，外加的能量236通过一汇流环238可选择的输送到叶片的根部区域。外加的能量经过回路232用来放大和/或起主导作用于来源于传感条234的信号，并提供强大的和及时的抵抗由于风力造成的弯曲。
然而图7进一步的示意性的示出了具体实施例。在该实施例中，来自配置在翼罩324附近或设置在翼罩324上的传感条334的信号340，通过它自己的汇流环342从叶片带到风力涡轮机的主控制中心20。信号通过一隔离的汇流环344处理成适当反馈给安装在翼罩324里或安装在翼罩324上的能量转换器。因此，该实施例包括将压电纤维嵌入或安装在罩324上和安装在传感条334里，但是，翼罩上的纤维是用来抵抗负载的，并不能起到传感的功能。在图5和6的具体实施例中以类似的方式提供两种能量转换器，一种是用来传感运动和发出电能，和另外一种是有选择的吸收来自电子回路的电能来响应或抵消这种运动。
然而根据进一步的具体实施例，来自与传感条的信号用作，但是并不局限于附加功能，例如与叶片角度控制系统互相作用。因而，叶片负载管理将是在涡轮机总控制系统中叶片传感器和翼罩促动器的集成组件。
参照图8示意性的示出的，当叶片由于风力条件的变化而受到冲击，特别是由于风速的增加，叶片的负载和应力瞬时增加。在图8中的示意性的描述中，曲线表示在典型的俯仰轴控制系统中的响应。箭头和连接线表示根据本发明的具体实施例具有压电纤维的动阻尼如何限制首次响应的电波和减少风力冲击时间。因此，如上所述，根据本发明提供的压电纤维降低了瞬时的响应并且有效的为俯仰轴系统动作“购买了时间(buys time)”。当用这种方式减小最大化负载时，叶片可以设计成轻质的或叶片可以使用于高速的风力区。
注意，根据本发明具体实施例提供的压电纤维并没有提到，当由于风力变化而影响叶片时，如何操作改变叶片的形状，在第一时间以减小风力的冲击。在本发明的具体实施例中，当纤维影响叶片的弯曲例如抵消或减小叶片的弯曲时，每秒钟的弯曲程度在空气动力学中的影响是可以忽略的并且不能减少风力的冲击力。根据本发明的压电纤维可以使叶片在遭受风力的推动时，可以向回推。这样可以在不减少风力冲击力的条件下减小叶片的应力，如图5，6和7实施例中所描述的，每一实施例连续给予系统越多的能量，那么与整个风力控制系统的相互作用也就越大。
尽管结合目前认为是最使用和优选的实施例说明了本发明，但是应当理解，本发明并不局限于已公开的实施例，与此相反，其趋向于覆盖在本发明的精神和附加的权利要求的范围内的各种修改或相同的实施方式。
权利要求
1.一风力涡轮机叶片组件，包括安装于毂盘(14)上的多个叶片(12)；每一所述的叶片包括一压电阻尼系统，其包括至少一个嵌入到所述叶片之中或安装于所述叶片之上的能量转换器装置(130，234，334)，和至少一个定位于所述叶片之内或安装在所述叶片上的回路(132，232)，并且该回路电连接到所述至少一个能量转换器，所述回路包括至少一个存储部件，用来存储从至少一个所述能量转换器抽取的能量；以及其中存储能量被供回给至少一个所述的能量转换器，和所述的能量转换器将所述的电能转换为机械能，所述的机械能适合用来主动加固所述的叶片。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片组件，其特征在于其中所述的压电阻尼系统是一自供电系统，其中所有的供给于至少一个能量转换器(130)的电能来源于从叶片(图1)机械变形抽取的能量。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片组件，其特征在于其中至少一个所述的能量转换器包括压电纤维。
4.如权利要求1所述的风力涡轮机叶片组件，其特征在于还包括一个控制计算机(20)，其可操作地连接到所述回路上，用来向所述回路传送指令。
5.如权利要求4所述的风力涡轮机叶片组件，其特征在于还包括一个连接于所述控制计算机以测量目前风力条件并将其提供给所述控制计算机(20)的风力传感器；以及适于判断目前多个结构和所述多个叶片的速度并且将这些信息提供给所述的控制计算机的多个传感器；以及其中所述控制计算机(20)支配一促发器，在目前风力条件下，使所述叶片重新装配以达到适宜的性能。
6.一种降低包括安装于毂盘(14)上的多个叶片(12)的风力涡轮机叶片组件负载和应力的的方法，包括嵌入一压电阻尼系统在所述每个叶片(12)中或之上，所述的压电阻尼系统包括至少一个能量转换器(130，234，334)和电连接于所述至少一个能量转换器上的至少一个回路(132，232)，所述回路包括构成为用来存储从至少一个所述能量转换器抽取的能量的至少一个存储部件；用所述存储部件存储从至少一个所述能量转换器抽取的能量；输送所述存储的能量返回给至少一个所述的能量转换器；以及将所述的电能转换为机械能以主动加固所述叶片。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于其中所述压电阻尼系统是一个自供电系统，其中供给到至少一个能量转换器(130)的所有电能来源于从叶片的机械变形抽取的能量(图1)。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于其中所述叶片在其面向前方和面向后方的表面上包括翼罩(224)，其中第一所述能量转换器位于面向前方的翼罩区域的内部或之上，并且其中第二所述能量转换器(234)位于并且通常平行于所述面向前方的翼罩区域附近，并且其中所述回路(232)存储来源于一个所述能量转换器的能量，并且将至少一些所述的能量供给其他所述的能量转换器。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于还包括从设置为远离所述叶片并且与所述回路可操作地连接的控制计算机(20)向所述回路发出指令。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于还包括测量目前风力条件并提供其到所述控制计算机(20)；和判断当前结构和所述叶片速度并且将其提供给所述控制计算机；其中所述控制计算机指挥一促动器，在目前风力条件下，使所述的叶片重新装配以达到适宜的性能；以及一旦所述叶片重新装配，其中所述存储能量的供给和主动加固所述叶片的从所述电能向机械能的转换被停止。
全文摘要
能量转换器(130，234，334)嵌入或者层积于风力叶片上，并且电连接一可自供电的电子回路(132，232)。与自供电的电子回路的结合的能量转换器通过减小负载响应于风力条件的变化改进风力叶片，至少直到涡轮机的俯仰轴控制系统改变平放的叶片。因此，当风力条件发生变化时，在风力对叶片冲击的影响过程中造成叶片的扭曲或弯曲用来从能量转换器中抽取能量。该能量然后被输送到电子回路，电子回路产生一反馈信号给能量转换器来促发它们抵消强加的负载。
文档编号F03D7/02GK1982697SQ20061006395
公开日2007年6月20日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月7日
发明者H·D·德里弗 申请人:通用电气公司