专利名称：用于检测固态水积聚的装置和方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮机。更具体地，本发明涉及检测风力涡轮机叶片上的冰和雪。
背景技术：
在一些情况下，雪和冰可能会积聚在风力涡轮机叶片上。由于雪和/或冰的额外 重量以及叶片的空气动力轮廓的改变，冰和/或雪在风力涡轮机叶片上的积聚会不利地影 响风力涡轮机的性能。用于检测冰的当前技术采用了利用由两个风速计(其中一个被加热)测得的风速 的间接分析。另一种技术将实际功率系数和实际功率值与期望值进行比较。但是，这些技 术都不能在希望检测冰和/或雪的状况下检测冰和/或雪，从而造成较短的运行时期。
发明内容
根据一个实施例的装置包括风力涡轮机，其具有支承叶片的轮毂；以及传感器， 其设置及构造成对叶片进行监测并且产生相应的输出信号。设置及构造成接收传感器的输 出信号的计算机处理器执行计算机软件应用，以有利于将输出信号与预定值进行比较，以 确定叶片处是否存在固态水；以及在存在固态水时提供固态水积聚的指示。根据一个实施例，公开了一种系统，该系统包括风力涡轮机，其包括支承叶片的 轮毂；以及传感器，其设置及构造成对叶片进行监测并且产生相应的输出信号。计算机设置 及构造成接收由来自传感器的输出信号携带的数据，以便将该数据与预定值进行比较，以 确定叶片处是否存在固态水；以及在叶片处存在固态水时提供固态水积聚的指示。
图1是根据本发明的一个实施例的装置的图示。图2是具有根据本发明的一个实施例的各种示例性安装的风力涡轮机的示意性 等距视图。图3是根据本发明的一个实施例的方法的示意性流程图。部件列表 根据附图，公开了根据本发明的实施例的固态水(即雪和冰)积聚监测装置和方 法的实例。出于阐述的目的，许多具体细节示于附图中，且在随后的详细描述中进行了阐 述，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它实例中，示意性地显示了已知的结构和器件，以 便简化附图。风力涡轮机叶片和诸如雪和冰的固态水具有这样的特征可对这些特征进行监测，以确定何时存在固态水积聚。该特征包括但不限于光谱反射率、分光反照率、温度和介 电吸收。例如，不存在积聚的风力涡轮机叶片具有可用作基准点或期望值的反射特征。当 积聚形成时，有积聚的叶片将具有与叶片的裸面不同的反射特征。因此，通过将叶片表面附 近的实际反射特征与裸面的期望值进行比较，可检测出积聚。另外，可根据实际值的变化来 确定积聚的类型和/或厚度，因为冰具有与雪的特征不同的特征，且冰和雪的特征将会随 实际积聚的厚度、含水量、密度和结构而变化。如在图1中示意性地看到的，一个实施例中的固态水积聚检测装置10包括构造 成对风力涡轮机叶片进行监测的电磁辐射传感器20。传感器20具有例如以度数表示的视 场Ψ，且传感器20产生表明诸如但不限于反射性或反射率的与辐射有关的特征的输出信号 21。计算机处理器30，例如微处理器，接收传感器20的输出信号21。计算机处理器30将 输出信号21与预定值进行比较，以确定视场φ中是否存在固体水积聚，例如冰和/或雪的 累积。例如，如果使用红外传感器，则一个实施例中的输出信号21表明叶片105的表面附 近的特征。在一个实施例中，该特征是叶片105的表面附近的反射程度，其可例如根据由 传感器从表面附近接收到的辐射的能量或频率的变化，或者根据接收到的辐射的强度来测 量。如果反射率在预定水平或预先限定的标准(诸如反射线的能量或频率)以上，则存在冰 和/或雪。因为冰和雪具有不同的反射特性，使用不止一个预定水平可以区分叶片105上 的冰积聚和雪积聚。此外，可确定雪和/或冰的厚度，且可以忽略具有预先限定的水平(例 如，诸如从约0.2毫米至约3.0毫米)以下的厚度的涂层。或者，一个实施例中的输出信号 表明风力涡轮机叶片105的表面温度。如果温度在某个水平以下，则有可能存在冰和雪。计算机处理器30在存在固态水积聚时提供固态水积聚存在的指示。在一个实施 例中，该指示为警报31，例如听得见或看得见的警报，且该指示可包括风力涡轮机100的自 动关闭以及诸如通过电子邮件、无线电广播或其它通讯方法(发送)的存在固态水积聚和 /或关闭的通告。在另一个实施例中，计算机处理器30连接到图形显示器40上，例如平板 或CRT显示器，而且指示采用叠加在被监测的叶片的图像上的输出信号21的图形表示41 的形式。另外，实施例中的计算机处理器30在检测到固态水积聚的区域中增强了输出信号 21的图形表示41。例如，可使用诸如颜色的一个或多个视觉提示42、43来表明在何处已检 测到固态水积聚。可使用不同的提示来表明不同类型的固态水积聚，即冰与雪。例如，可使 用第一种颜色来表明冰积聚，而可使用第二种颜色来表明雪积聚。参看图2，示例性风力涡轮机100包括支承件101，诸如塔架，以及安装在支承件 101上的机舱102。机舱102容纳装备103，诸如发电、监测和机械传动装备。此外，机舱102 可容纳实施例的计算机处理器。轮毂104由机舱102支承，以相对于机舱102旋转。至少 两个风力涡轮机叶片105自轮毂104凸出，且构造成响应于传送经过叶片105的风使轮毂 104旋转(诸如由于叶片105具有通过风中的较低压力表面和较高压力表面之间的压差产 生升力的翼面)。因为叶片105的构造和对风力涡轮机定向的控制，所以在大多数风力涡轮 机中，存在旋向(spinward)表面(较低压力表面)以及当风传送经过叶片105时叶片105 朝其提供升力的旋向方向。即使是在叶片105不运动的时候也可使用“旋向表面”和“旋向方向”，因为它们构造成以便沿一个方向围绕旋转轴线运动。在图2所示的示例性风力涡轮机100上示出了实施例的固态水积聚检测装置和方 法的各种安装。实施例中第一种示例性安装具有至少一个电磁辐射传感器211，该至少一 个电磁辐射传感器211构造成邻近相应的风力涡轮机叶片105的根部而安装在风力涡轮机 100的轮毂104上并且监测该相应的风力涡轮机叶片105的前缘。为一个实施例中的各个 叶片提供一个这样的传感器，但也可提供更多或更少的传感器。
第二种示例性安装220具有至少一个电磁辐射传感器221，该至少一个电磁辐射 传感器221构造成居中地安装在风力涡轮机100的轮毂104的前端上，且监测一个或多个 相应的风力涡轮机叶片105。在一个实施例中，传感器221监测仅一个叶片105，但是在其它 实施例中，传感器221诸如通过一次一个地扫描各个叶片来监测风力涡轮机的所有叶片。 在其它实施例中，多个传感器221可安装在轮毂104的前端处，从而可以同时监测所有的叶 片 105。对于各个叶片105，第三种示例性安装230具有至少两个电磁辐射传感器231、 232。各个传感器231、232构造成监测它们所监测的风力涡轮机叶片105的相应的主风向， 并且安装在风力涡轮机100的轮毂104的附近。在一个实施例中，其中一个传感器231监 测风力涡轮机叶片105的前缘，且其中另一个传感器232监测风力涡轮机叶片105的较低 压力表面，例如旋向表面。第四种示例性安装240具有电磁辐射传感器241，该电磁辐射传感器241构造成安 装在风力涡轮机100的机舱102上并且监测风力涡轮机叶片105在向风视场中的表面。尽 管可使用单个传感器241来监测所有的叶片105，但是实施例中使用了多个传感器241。如上所述，本发明的一个实施例包括计算机实现的过程或方法以及用于实践这种 过程的装置，诸如计算机处理器30。另外，同样如上所述，一个实施例包括计算机软件应用 或程序产品，其包括实体介质(诸如磁介质(软盘、硬盘驱动器、磁带等)、光学介质(光盘、 数字多功能/视频盘、磁光盘等)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪ROM、可擦 除可编程只读存储器(EPROM)或者计算机程序代码存储在其上且计算机可以利用其来载 入和执行计算机程序代码的任何其它计算机可读存储介质)上的计算机代码，诸如目标代 码、源代码或可执行代码。当计算机执行计算机程序代码时，该计算机就成为用于实践本发 明的装置，而在通用微处理器上，通过具有计算机代码片段的微处理器的构造而形成了专 用逻辑电路。可执行指令的一个技术效果是监测风力涡轮机叶片上的固态水的积聚，例如 冰和雪，且在检测到这样的积聚时，诸如通过触发警报或显示在其中已检测到积聚的区域 的图形表示来提供这样的积聚的指示。一个实施例中的图形表示使用诸如颜色的提示来强 调积聚区域。另外，一个实施例中的图形表示叠加在相应的风力涡轮机叶片的图像上。计算机程序代码写入可由计算机处理器执行的计算机指令中，诸如采用以任何编 程语言编码的软件的形式。合适的编程语言的实例包括但不限于汇编语言、VHDL(Verilog 硬件描述语言)、特高速集成电路硬件描述语言(VHSIC HDL)、FORTRAN(公式翻译)、C、 C++、C#、Java, ALGOL (算法语言)、BASIC (初学者通用符号指令代码)、APL (编程语言)、 ActiveX、HTML (超文本标记语言)、XML (可扩展标记语言)，以及这些语言中的一种或多种 的任何组合或衍生物。计算机程序或软件应用执行在图3中示意性地示出的方法300，其中接收传感器20的输出信号21 (框310)，且将其与预定值进行比较(框320)。如果比较结果没有表明积 聚，则接收传感器输出信号的新值，以在框320处进行比较，以便继续进行监测。如果比较 结果表明积聚，则诸如通过触发警报(框340)或者通过提供图形表示41 (框350)来提供 积聚的指示(330)。另外，可提供一个或多个提示42、43来强调积聚区域(框360)。接收 传感器输出信号的新值，以在框320处进行比较，以便继续进行监测。通过使用实现根据实施例的方法的装置和/或系统，可检测出固态水积聚，以防止对风力涡轮机的损坏，提高风力涡轮机的效率，以及/或者防止对在风力涡轮机上工作 的人员的伤害。另外，通过使得能够检测冰和雪积聚，在其中条件会引发这样的积聚的区域 中，可延长风力涡轮机的运行时期。虽然已经参照一个或多个示例性实施例对本公开进行了描述，但是本领域技术人 员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行各种改变，且等效物可代替本发明的元 件。另外，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行许多修改，以使特定的情况或材料适合 于本公开的教导。因此，意图的是本公开不限于作为构思为用于执行本发明的最佳模式而 公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。
权利要求
一种装置(10)，包括风力涡轮机(100)，其包括支承叶片(105)的轮毂(104)；传感器(20)，其设置及构造成对所述叶片(105)进行监测并且产生相应的输出信号(21)；以及计算机处理器(30)，其设置及构造成接收所述传感器(20)的所述输出信号(21)并且执行计算机软件应用，以有利于将所述输出信号(21)与预定值进行比较，以确定所述叶片(105)处是否存在固态水(框320)；以及在存在固态水时提供固态水积聚的指示(框330)。
2.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述传感器(20)邻近所述叶片 (105)的根部而安装在所述风力涡轮机(100)的轮毂(104)上，并且设置及构造成对相应的 所述叶片(105)的前缘进行监测。
3.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述装置(10)进一步包括至少一个 另外的叶片(105)和邻近各个至少一个另外的叶片(105)的相应的根部而安装在所述轮毂(104)上的相应的传感器(20)，各个传感器(20)设置及构造成对各个至少一个另外的叶片(105)的相应的前缘进行监测。
4.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述传感器(20)居中地安装在所述 轮毂(104)的前端上，并且设置及构造成对所述叶片(105)进行监测。
5.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述装置(10)进一步包括至少一个 另外的叶片(105)，并且，其中，所述传感器(20)设置及构造成对所有的所述叶片(105)进 行监测。
6.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述传感器(20)是第一传感器 (20)，并且靠近所述轮毂(104)而安装在所述叶片(105)上，且所述装置(10)进一步包 括靠近所述轮毂(104)而安装在所述叶片(105)上的第二传感器(20)，其中，所述传感器 (20)中的各个均设置及构造成沿着相应的方向对所述叶片(105)进行监测。
7.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述风力涡轮机(100)进一步包括 机舱(102)，并且所述传感器(20)安装在所述机舱(102)上且设置及构造成对向风视场中 的所述叶片(105)的表面进行监测。
8.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，提供固态水积聚的指示包括显示所 述叶片(105)的图像，其中所述传感器(20)的所述输出信号(21)的图形表示(41)叠加在 所述叶片(105)的所述图像上。
9.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述传感器(20)响应于所述叶片 (105)的表面的反射特征。
10.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述传感器(20)是红外传感器 (20)。全文摘要
本发明涉及用于检测固态水积聚的装置和方法。根据一个实施例的装置(10)包括具有支承叶片(105)的轮毂(104)的风力涡轮机(100)，和设置及构造成对叶片(105)进行监测并且产生相应的输出信号(21)的传感器(20)。设置及构造成接收传感器(20)的输出信号(21)的计算机处理器(30)执行计算机软件应用，以有利于将输出信号(21)与预定值进行比较，以确定叶片(105)处是否存在固态水；以及在存在固态水时提供固态水积聚的指示。
文档编号G01V3/12GK101846750SQ20091021226
公开日2010年9月29日 申请日期2009年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者P·克劳斯曼, T·霍内坎普 申请人:通用电气公司