本发明涉及电热加热(eth)，并且特别涉及用于风力涡轮机叶片的eth的改进控制。
背景技术：
：风力涡轮机从风能生成电力，并且可以位于陆地或离岸。位于寒冷气候中的风力涡轮机可能遭受结冰事件(其中，由于冷表面上的冷水可能会在风力涡轮机叶片的表面上形成冰)的影响。叶片表面冰积聚会导致不期望的后果。例如，由于冰积聚导致风力涡轮机叶片的曲线变化可能降低风力涡轮机的旋转速度。因此，风力涡轮机可能以低于最优速度和高效操作，这降低了风力涡轮机的性能。而且，风力涡轮机叶片上积聚冰的附加重量可能导致叶片的疲劳和应力故障。因此，需要能够防止或减小在风力涡轮机的叶片上结冰的影响，以防止损坏叶片以及也提高风力涡轮机的性能。已经描述了各种系统和方法以对风力涡轮机进行除冰(例如去除积冰)或者对风力涡轮机提供防冰(例如防止积冰)。例如，通过在叶片内部提供热空气以增加叶片的表面温度，热空气除冰系统提供对风力涡轮机叶片的去冰的能力以一旦冰积聚则有效除冰。也已知的是，将加热垫附接到风力涡轮机叶片，当所述加热垫被供应电力时生成热量以增加叶片表面的表面温度。这样的加热垫可以用于风力涡轮机叶片的防冰或除冰中的任一者或两者。就电热加热系统而言，控制电热加热以向叶片结构提供足够热量以防止或减少风力涡轮机叶片上的结冰是困难和有问题的。本发明试图至少部分地解决上述的问题和缺点，并寻求提供一种用于风力涡轮机叶片的电热加热的改进的控制系统，该系统在不同的环境条件下以一种有效的方式充分地且有效地加热叶片表面。技术实现要素：根据本发明的第一方面，提供了一种加热包括多个加热区域的风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括以下步骤：基于环境条件确定结冰因子；基于所确定的结冰因子来确定要启动的一个或多个加热区域，其中，每个加热区域包括一个或多个电热加热元件；以及启动对应于所确定的加热区域的一个或多个电热加热元件以生成热量。因此，本发明有利地提供了一种高效且有效的电热加热系统，其可以将加热引导至风力涡轮机叶片的各区域。可以基于以下中的一个或多个确定结冰因子：周围空气温度、空气的液态水含量、风速、功率曲线的降级率、叶片模态频率的变化、叶片质量的变化、叶片偏转的变化或叶片表面传感器等中。可以连续确定结冰因子，或者可以以预定间隔确定结冰因子。该方法可以进一步包括监测一个或多个环境条件和/或操作参数；将所述一个或多个环境条件和/或操作参数与阈值标准进行比较；如果满足阈值标准，则触发结冰因子的确定。该方法可以进一步包括基于测量的风力条件否决结冰因子的确定的触发。确定一个或多个加热区域可以进一步包括基于结冰因子认识到提供更大空气动力学性能的一个或多个加热区域。空气动力学性能可以沿着风力涡轮机叶片的长度变化；并且其中，所述空气动力学性能是由风力涡轮机生成的功率(电力)的百分比贡献。该方法可以进一步包括基于确定的结冰因子来确定供应给所确定的一个或多个区域的功率水平。确定的功率水平可以是总可用功率的百分比。该方法可以进一步包括基于确定的结冰因子来确定用于启动所确定的一个或多个加热区域的电热加热元件的工作周期。该方法可以进一步包括认识到用于启动对于所确定的一个或多个加热区域中的每一个的电热加热元件的工作周期的百分比。该方法可以进一步包括基于所确定的工作周期来启动所确定的一个或多个加热区域的电热加热元件。结冰因子可以指示结冰事件的严重程度。随着结冰因子的改善，所确定的加热区域数量可以增加。根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制包括多个加热区域的风力涡轮机叶片的加热的控制器，所述控制器配置为：基于环境条件确定结冰因子；基于所确定的结冰因子来确定要启动的一个或多个加热区域，其中，每个加热区域包括一个或多个电热加热元件；以及启动对应于所确定的加热区域的一个或多个电热加热元件以生成热量。控制器可以配置为基于至少周围空气温度、空气的液态水含量和风速来确定结冰因子。控制器可以配置为连续或以预定间隔确定结冰因子。控制器可以进一步配置为监测一个或多个环境条件和/或操作参数；将所述一个或多个环境条件和/或操作参数与阈值标准进行比较；并在满足阈值标准时触发结冰因子的确定。控制器可以进一步配置为基于测量的风力条件否决结冰因子的确定的触发。控制器可以进一步配置为基于结冰因子认识到提供更大的空气动力学性能的一个或多个加热区域。控制器可以进一步配置为基于确定的结冰因子来确定供应给确定的一个或多个区域的功率水平。控制器可以进一步配置为基于确定的结冰因子来确定用于启动所确定的一个或多个加热区域的电热加热元件的工作周期。控制器可以进一步配置为认识到用于启动对于所确定的一个或多个加热区域中的每一个的电热加热元件的工作周期的百分比。控制器可以进一步配置为基于所确定的工作周期来启动所确定的一个或多个加热区域的电热加热元件。控制器可以配置为执行本文描述的本发明的方法的任何功能或特征。控制器可以包括一个或多个处理器和存储器，并且可以位于风力涡轮机机舱、轮毂或叶片中。控制器可以经由硬件、软件或其任何组合来适配或配置。根据本发明的第三方面，提供了一种包括在此描述的控制器的风力涡轮机。根据本发明的第四方面，提供了一种计算机程序制品，包括计算机可读可执行代码，其用于执行根据本发明的各方面的功能和/或特征中的任何或全部。附图说明现在将参照附图描述本发明的实施方式，其中：图1示出了根据本发明的一个或多个实施方式的风力涡轮机的示意图。图2示出了根据本发明的一个或多个实施方式的电热加热元件的示意图。图3示出了风力涡轮机叶片的典型空气动力学性能曲线的示例。图4示出了根据本发明的一个或多个实施方式基于结冰因子的叶片加热范围和功率水平的示例性确定。图5a至图5c示出了根据本发明的一个或多个实施方式的不同加热区域的示意图。图6是根据本发明的一个或多个实施方式的控制方法的示例流程图。具体实施方式图1示出了包括根据本发明的风力涡轮机叶片20的实施方式的典型风力涡轮机10的示意图。风力涡轮机10安装在基座12上，所述基座可以是陆上基座或离岸平台或基座。风力涡轮机包括具有多个塔段的塔架14。机舱16定位并附接到塔架14的顶部。连接到机舱16的风力涡轮机转子包括轮毂18和至少一个风力涡轮机叶片20，其中，在图1中示出了三个风力涡轮机叶片，但是取决于风力涡轮机10的设计和实施，可以存在任何数量的风力涡轮机叶片20。风力涡轮机叶片20连接到轮毂18，所述轮毂又通过低速轴连接到机舱16，所述低速轴延伸出机舱16的前部。图2示出了可嵌入到风力涡轮机叶片结构内的电热加热(eth)元件201的示意图。一个或多个eth元件201可以由任何合适的材料和结构构成，其一旦供应有电力就生成热量。例如，eth元件可以由涂覆有碳的玻璃纤维垫形成。然而，可以使用任何形式、类型、材料或构造的加热垫用于加热风力涡轮机叶片。可存在覆盖风力涡轮机叶片200的至少一部分的单个嵌入式eth元件201，或者可存在覆盖风力涡轮机叶片200的至少一部分的多个嵌入式eth元件201。可选地或另外地，可存在一个或多个eth元件位于叶片外表面上。在单个eth元件的情况下，单个eth元件可以包括多个区域，所述区域可以单独地或共同地被启动以在叶片表面的不同范围上生成热量。为了在一个或多个不同的区域中生成不同水平的热量，电力在预定的位置被耦合或连接到eth元件以限定预定区域。不同的预定区域也可以具有不同的特性或性质，以便在被启动时提供不同水平的热量。例如，特性或性质可以包括以下中的一个或多个：不同尺寸(宽度、高度和/或深度)、不同电阻、不同碳浓度，和/或不同浓度的玻璃纤维。在多个eth元件201的情况下，其嵌入到叶片结构内并覆盖叶片的至少一部分，所述eth元件可布置成拼接结构，从而创建覆盖叶片结构的预定范围的多个预定区域。嵌入到叶片结构内的每个eth元件201可以具有不同的特性或性质，以便在被启动时提供不同水平的热量。例如，特性或性质可以包括以下中的一个或多个：不同尺寸(宽度、高度和/或深度)、不同电阻、不同碳浓度，和/或不同浓度的玻璃纤维。嵌入到叶片结构内的eth元件201可以经由触头202连接到电源203，以便如果向eth元件201供电时能够供电，从而在eth元件201内生成热量，从而直接地在eth元件201的上方或其附近增加叶片的表面温度。到多个eth元件或到单个eth元件的电力功率供应203可以位于风力涡轮机叶片中，或者位于叶片附接到的转子/轮毂中，或者位于风力涡轮机的机舱中。为了高效且有效地加热叶片表面，基于至少一个或多个环境条件所确定的至少一个结冰因子，将加热引导至叶片表面的特定且预定区域。根据结冰事件的严重程度(例如，过去结冰事件、当前结冰事件或预期结冰事件)，已经认识到叶片表面的预定区域应经受防冰操作以便有效地对叶片防冰并在策略的和空气动力学的重要区域增加叶片的空气动力学性能。例如，参照图3，已经认识到叶片的空气动力学性能受到朝向叶尖的区域的最大影响。图3是典型的叶片空气动力学性能的示意图，其中，y轴是对生成的功率的贡献，并且x轴是从根部向尖端增大的叶片半径。在图3所示的示例中，朝向典型叶尖的范围贡献生成的电力的最高百分比。因此，在严重的结冰事件期间，已经认识到对叶片的这个范围进行防冰是最有效的，以便就生成电力而言对叶片的空气动力性能具有最大的影响。可以使用至少一个环境参数和/或风力涡轮机参数来确定上述结冰因子。例如，所述参数可以包括以下中的一个或多个：温度、空气液态水含量、空气湿度、空气压力、风速、转子速度、生成的电力、叶片载荷测量、风力估计器等。结冰因子可以是0到10的刻度，其中，值0表示无结冰事件，一直到10表示严重的结冰事件，，反之亦然。然而，如将理解的那样，可以使用任何合适的刻度，例如，0到20、0到50、0到100等。相应地，确定结冰因子的简单方法可以是取决于或基于风力涡轮机处或附近的空气温度。空气温度可以被分成11个温度带，其对应于结冰因子的0到10的刻度。确定结冰因子的另一种方法可以包括使用风力涡轮机处或其附近风力涡轮机场内的风速、空气液态水含量和空气温度。可以直接测量风速，例如，经由风速计，或者间接地，例如，基于转子的转速，经由风力估计器等等。可以有几种不同的方法来确定结冰因子，所述方法可以分开使用或以任何组合使用，以便认识到或确定用于控制eth元件的结冰因子。其他方法可以包括确定对于风力涡轮机的功率曲线的降级的变化率，例如，如果由风力涡轮机生成的功率的降级的变化率增加，则结冰因子增加，使得基于功率降级的变化率曲线来确定结冰因子。确定对于给定风速的测量转子速度与期望转子速度之间的差异或误差信号，其中，差异或误差信号越大，结冰因子被确定为越大。额外地或可选地，可基于叶片模态频率的变化、叶片质量的变化或叶片偏转的变化来确定结冰因子。结冰因子可以连续地或以预定间隔来确定，或者一旦满足一个或多个预定条件就触发该确定。在一个示例中，一旦满足一个或多个特定预定条件或标准，用于确定结冰因子的方法就被触发或启动。这样的预定条件可以是一年中的季节(例如冬季、春季、夏季或秋季)，其中，在可以预期冰的季节触发结冰因子的确定。预定条件可以是一年中的月份，其中，在可以预期冰的月份中确定结冰因子。预定条件可以是空气温度，例如，当空气温度下降到低于阈值时，例如2摄氏度，则可以触发结冰因子的确定。预定条件可以基于功率曲线，使得当功率曲线降级或低于阈值时，可以触发结冰因子的确定。可以设置任何合适的预定条件以触发适于该目的的结冰因子的确定，例如，指示结冰可能影响风力涡轮机。上文已经描述了几个示例性预定条件，并且触发可以基于所描述的预定条件中的任何一个或任何组合。是否满足预定条件以触发结冰因子的确定可以连续地或以预定间隔来确定。例如，可以每10分钟、30分钟、每小时等等来确定触发条件。如本领域技术人员将认识到，可以设置任何合适的预定间隔来检查触发条件是否已经被满足。能够否决触发结冰因子的确定也可能是有用的。例如，如果条件低于风力涡轮机操作的最小阈值，则由于风力涡轮机将被关闭，所以不需要确定结冰因子。否决触发的另一个示例是，如果风低于对于风力涡轮机的最小切入风速，因为即使防止在叶片上形成冰，风力涡轮机也将不能操作。一旦触发条件已经满足，则如上所述确定结冰因子。然后可以连续地或者以预定间隔重新确定或更新结冰因子，以跟踪和评估结冰事件。例如，可以每秒、5秒、10秒、30秒、每分钟、5分钟，10分钟等更新或确定结冰因子。由于基于环境条件，风力涡轮机条件，和/或经由eth元件加热叶片，结冰因子可以相对快速地改变，因此结冰因子的确定应该处于相对高的频率。参照图4，一旦确定了结冰因子，就用它来确定叶片的至少一个范围或区域，其中，相应的eth元件201将被启动。结冰因子还可以用于另外确定提供给要启动的eth元件的可用功率的百分比，如将在下面进一步描述的。例如，如图4所示，如果结冰因子被确定为10(例如严重的结冰事件)，则确定叶片要加热的高效且有效范围是叶片的20％。参照图3，该叶片范围的20％对应于在叶片的背风侧和迎风侧上影响或提供最大的空气动力学性能的叶片范围的20％。图5a至图5c分别示出了在叶片上限定的四个区域的不同布置的示意图。在形成各区域的嵌入式多个eth元件的示例中，每个区域可以包含多个eth元件。图5a至图5c中的每个示意图都是叶片结构的背风侧，其中，各区域和各eth元件的相同布置将被设置在叶片的迎风侧上。在这些示例中，每个区域包括四个eth元件；然而，应该理解的是，每个区域内可以有任何数量的eth元件，并且每个区域中的eth元件的数量可以变化。相应地，在该示例中，对应于为叶片提供最大空气动力学性能的叶片范围的20％在图5a至图5c中示为区域1。因此，如果结冰因子被确定为与严重结冰事件有关的10，则区域1内的eth元件被启动以便加热叶片的该范围中的叶片结构。参照图4，如果确定结冰因子是，例如，值为8，则确定叶片加热的高效和有效范围是叶片的40％。参照图3，该叶片的这个40％范围对应于叶片的影响或提供最大空气动力学性能的40％范围。参照图5a至图5c，对应于为叶片提供最大空气动力学性能的40％的叶片范围示出为区域1和区域2的组合。因此，如果结冰因子被确定为8，则区域1和区域2内的eth元件被启动以加热叶片的该范围中的叶片结构。参照图4，如果确定结冰因子是，例如，值为6，那么确定叶片加热的高效和有效范围是叶片的60％。参照图3，叶片的这个60％范围对应于叶片的影响或提供最大空气动力学性能的60％范围。参照图5a至图5c，对应于为叶片提供最大空气动力学性能的60％的叶片范围被示出为区域1、区域2和区域3的组合。因此，如果确定结冰因子为6，则区域1、区域2和区域3内的eth元件被启动以便加热叶片的该范围中的叶片结构。参照图4，如果确定结冰因子是，例如，值为4，则确定叶片要加热的高效和有效范围是叶片的70％。参照图3，该叶片的这个70％范围对应于叶片的影响或提供最大空气动力学性能的70％范围。参考图5a至图5c，对应于为叶片提供最大空气动力学性能的70％的叶片范围被示出为区域1、区域2、区域3和区域4的组合。因此，如果结冰因子被确定为4，则区域1、区域2、区域3和区域4内的eth元件被启动以便加热叶片的该区域中的叶片结构。下面的表1显示了基于每个叶片的结冰因子而启动的区域。其中，“开”表示该区域将被启动，“关”表示该区域不被启动。结冰因子区域1区域2区域3区域410开关关关9开开关关8开开关关7开开开关6开开开关5开开开开4开开开开3开开开开2开开开开1开开开开0关关关关相应地，基于结冰因子，叶片的范围，例如区域，其将要经受加热和防冰，可以基于查找表确定，该查找表例如存储在存储器中。相应地，本发明的有利的控制系统可以将就生成电力而言对叶片在策略上和空气动力学上重要的叶片结构的范围。在严重结冰事件期间，叶片的加热导向为叶片提供最大或最佳空气动力学性能的范围。随着结冰严重程度降低，例如，结冰系数减小，则控制系统加热更多的叶片，使得热量“扩散”到叶片结构上，这更有效且更高效。还已经认识到，启动eth元件所需的功率量也可以基于结冰事件的严重程度而变化，并且因此也可以基于确定的结冰因子。参考图4，结冰因子还可以用于确定在叶片的确定的范围/区域处或对应于确定的范围/区域的供应给eth元件的可用功率量(例如就百分比的而言)。从图4可以看出，对于在5和10之间的结冰因子，可用功率的100％将被供应给所确定的要加热区域内的eth元件。然而，对于4或更小的结冰因子，有利地认识到为了充分加热叶片结构以便在给定严重程度的结冰事件下防止或基本上减少叶片上冰的发生，小于最大可用功率就足够。例如，在4的结冰因子处，已经认识到只需要80％的可用功率来充分加热叶片结构以防止或显着减少冰的发生。相应地，通过减少由防冰系统使用的功率量，实现了更有效和有效的可用功率的使用。防冰控制系统将最好独立于风轮机控制系统起作用。相应地，防冰系统的控制将不需要与风力涡轮机控制器相互作用，并且在风力涡轮机上影响最小。由于这些原因，防冰控制系统优选被设计成容纳在每个叶片的根部中或风轮机的轮毂中，并且是与可用功率系统的“即插即用”连接。防冰控制系统经由一组继电器(其中，各继电器由控制系统单独控制)主动地控制向eth元件的功率分配。基于所确定的要启动的eth元件和确定的要供应的功率量，各继电器在开和关之间切换用于单独的eth元件和/或区域。通过确定要经受加热的叶片的范围和/或将供应到对应于所确定的范围的eth元件或区域的功率量，每个叶片可以被有效且高效地经受防冰。这种用于防冰系统的控制方案有利地比简单地重复诸如从叶片的尖端到根部的加热顺序更有效和高效。由于防冰系统可以在风力涡轮机操作的同时操作，因此供应给每个叶片中的eth元件的可用功率量有效地受限于跨越滑环的可用功率。风力涡轮机的滑环是本领域中标准的和已知的，因此不包括对滑环的详细描述。作为简要概述，滑环提供电力线和控制信号线以在静态机舱和旋转轮毂之间经过，以确保轮毂中的部件能够接收电力和控制信号这两者。经过滑环的可用功率有效受限于物理约束，例如，滑环和缆线的物理大小和尺寸。在理想情况下，叶片上的所有eth元件都应连续地切换开以对叶片防冰。然而，这将需要大量的功率被连续地供应到所有的eth元件，这一般会显着超过可以通过风力涡轮机滑环吸取的或对防冰系统可用的电力功率。相应地，由于滑环容量并且也由于来自滑环的缆线，激励eth元件的可用功率量被限制为有限值。为了最大化防冰系统的潜力，已经有利地认识到可以在防冰期间尽可能有效地被利用的跨越滑环传输或吸取的可用功率。相应地，需要在要启动的eth元件之间有效且高效地共享或分配该有限量的可用功率以在叶片结构中生成足够的热量。因此，控制系统可以，例如，利用工作周期或切换周期(例如，在一段时间内切换开和关继电器)以实现跨越集成并嵌入到叶片内的eth元件的功率分配。一旦基于结冰因子已经确定了要经受防冰的叶片区域和已经确定了供应给相应eth元件的功率量，则通过提供所确定的电力功率来启动对应于所述区域的eth元件。在以上给出的严重结冰条件(例如10的结冰因子)的示例中，区域1被确定为以100％的可用功率进行加热的叶片范围。在该示例中，启动区域1中的eth元件的数量和/或类型的功率要求基本上匹配可以跨越风力涡轮机的滑环提供的可用功率。因此，虽然结冰因子是10，但是区域1中的所有eth元件都以工作周期100％的功率被供电。随着结冰条件开始改善，例如周围温度和/或叶片表面温度升高，确定的结冰因子的值降低。随着结冰因子的值降低，则更多的区域将开始被加热，使得加热效果有利地在工作周期期间扩散跨越叶片。例如，如上所述，对于8的结冰因子，确定使用100％的功率来启动区域1和2这两者。在这个示例中，区域1以工作周期的50％，区域2以工作周期的50％。对于每种结冰因子，对于叶片上每个限定区域，有预定的工作周期百分比以及可用的功率的百分比，如下表2所示。表2中示出的每个区域被供电的每个工作周期的百分比是一个示例，并且如本领域技术人员将会理解的，百分比可以是合适和适合于对叶片防冰这目的的任何值。例如，对于表2中8的结冰因子，工作周期的百分比分别为区域1为50％和区域2为50％，其中，区域1为60％和区域2为40％，或区域1为55％和区域2为45％，等等。相应地，在操作期间，防冰控制系统将通过工作周期功率来实现到单独eth元件的功率分配，即100％意味着向平板供应恒定功率，50％意味着以名义时间单位周期功率至平板，例如1秒开1秒关。在一个示例中，工作周期可以为20秒，并且从表2为9的结冰事件，区域1被启动为工作周期的70％，即14秒，并且区域2被启动为的工作周期30％，即6秒。工作周期可以是10秒，并且因此在9的结冰因子的示例中，区域1将被启动为7秒并且区域2被启动为3秒。可以理解，工作周期可以被预定为任何合适的时间段。相应区域可以被连续地或交错地启动。在所述各示例中，相应的区域以工作周期的百分比被连续地启动，因为这减少了继电器开关的磨损，所述继电器开关控制对eth元件的电力供应。因此，防冰控制系统将通过工作周期将功率分配到eth元件上，以最大化可用和确定的功率的利用。通过以工作周期来控制各区域，有利地允许更多区域在工作周期期间被同时加热并且使得随着结冰因子减小所生成的热量扩散跨越所述叶片。图6是示出用于防冰系统的示例性控制方法的流程图。在步骤601中，确定是否满足触发条件。如果满足触发条件，则在步骤602中确定结冰因子。基于结冰因子，在步骤603中确定区域，在步骤604中确定可用功率的百分比，并且在步骤605中确定工作周期。在步骤606中，被以确定的可用功率百分比和确定的工作周期启动确定的区域中的eth元件。因此，本发明有利地基于结冰因子通过智能地控制eth元件被启动和供应的电力来实现更有效和高效的防冰。加热区域有利地能够使热量被引导到叶片的空气动力学重要的区域，例如，在严重的结冰事件中，可以启动对应于提供最大空气动力学性能的叶片区域的加热区域。随着结冰事件的严重程度改善，例如，减小，则叶片的加热可以以有效且高效的方式扩散跨越叶片。防冰控制系统有利地独立于涡轮机控制系统并且能够通过预先编程的操作模式向单独的eth元件分配电力，其中，所述控制系统可以配置为允许单独地启动不同eth元件和/或区域以及改变预编程的操作模式。以上描述的各示例和各实施方式仅用于示例目的，并且应该理解，不同实施方式的各特征可以彼此组合。已经仅以举例的方式描述了本发明的实施方式，并且可以对这些实施方式在所附权利要求的范围内做出许多修改或改变。各实施方式的特征可以以任何组合而组合。当前第1页12