具有减小的雷达截面的风力涡轮机的制作方法
【专利说明】具有减小的雷达截面的风力涡轮机
[0001]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。
[0002]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，W02011/051687和TO2010/122352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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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；
?)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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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 一 9图解说明了本发明的不同实施例。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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