專利名稱：通過振動壓電材料來防止風(fēng)力渦輪機組件結(jié)冰和/或除冰的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機的技術(shù)領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機組件除冰和/或防止結(jié)冰的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機的任何外露部分上都可能發(fā)生結(jié)冰，造成風(fēng)力渦輪機的性能降低。而且，例如當(dāng)冰積累在風(fēng)力渦輪機的一個或多個轉(zhuǎn)子葉片上時，可能會出現(xiàn)由不均勻的葉片結(jié)冰引起的過度振動問題。這反過來可能在風(fēng)力渦輪機組件上產(chǎn)生過量的機械負(fù)荷，最終導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機停機或風(fēng)力渦輪機故障。與結(jié)冰有關(guān)的問題可以通過以下兩種不同措施中的至少一種來防止第一措施 (a)是除冰，該措施是在組件上結(jié)冰后再將冰除去。第二措施(b)是防止結(jié)冰，這意味著該措施是阻止冰在組件上積累起來。目前為止，已經(jīng)提出用于風(fēng)力渦輪機組件的除冰和防止其結(jié)冰的設(shè)備和方法的幾種嘗試
US 7,217,091公開了一種用于對具有葉片根部、葉片尖部和前緣的渦輪機轉(zhuǎn)子葉片除冰的方法，其中渦輪機轉(zhuǎn)子葉片耦連到渦輪機的轂。該方法包括(a)通過流出通道使加熱的空氣從葉片根部朝向葉片尖部循環(huán)；(b)通過返回通道使加熱的空氣從葉片尖端重新循環(huán)到葉片根部，于是重新循環(huán)的加熱空氣變成返回空氣；和(c)重新加熱返回的空氣以進行進一步循環(huán)。WO 98/01340公開了一種用于防止復(fù)合材料的風(fēng)車翼結(jié)冰或用于避免其結(jié)冰的方法。使用微波能量來加熱復(fù)合材料本身。微波能量優(yōu)選從風(fēng)車翼的內(nèi)部通過固定安裝的微波發(fā)生器供應(yīng)，微波發(fā)生器響應(yīng)于對發(fā)生結(jié)冰的可能氣候條件的檢測而啟用。WO 2009/043352 A2公開了一種在風(fēng)力渦輪機已經(jīng)停機一段時間后為風(fēng)力渦輪機葉片除冰的方法。該方法包括步驟產(chǎn)生葉片的受控加速條件，以及隨后產(chǎn)生葉片的受控減速條件，從而使冰從葉片上晃掉。US 6，890，152 Bl公開了一種用于給風(fēng)力渦輪機葉片除冰的方法。該方法包括 檢測風(fēng)力渦輪機葉片上的結(jié)冰條件，并使風(fēng)力渦輪機葉片的至少一部分振動，使得在風(fēng)力渦輪機葉片上已經(jīng)積累起來的冰脫落。振動可以通過諸如可購買獲得的電磁振動器之類的振動器來產(chǎn)生。例如，振動器可以類似于許多材料傳送過程中用來晃動料箱和其它大容器的側(cè)面以釋放正在傳送的產(chǎn)品的那些振動器。在一個具體實施例中，振動器可以是重音喇叭，其在啟動時能夠產(chǎn)生使葉片振動的低頻聲波。重音喇叭可以位于葉片內(nèi)。每個葉片可包含可位于葉片前緣或其附近的一個或多個重音喇叭。重音喇叭可產(chǎn)生具有預(yù)定頻率范圍 (比如說，例如范圍大約從5 Hz到500 Hz)的聲波?？赡苄枰峁┮环N可應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機組件的有效的除冰過程和/或有效的防止結(jié)冰過程。

發(fā)明內(nèi)容
該需求可通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的主題來達(dá)成。本發(fā)明的有利實施例通過從屬權(quán)利要求來描述。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于給風(fēng)力渦輪機的組件除冰和/或避免風(fēng)力渦輪機的組件結(jié)冰的系統(tǒng)。所提供的系統(tǒng)包括(a)振動器，其包括壓電材料，并且適于至少安裝到所述組件的一部分，和(b)發(fā)電機，其適于將電信號供應(yīng)至振動器，其中電信號使振動器振動，并將振動能量傳送到組件的至少一個表面部分。所描述的系統(tǒng)基于這樣的構(gòu)思，即壓電引起的組件表面部分的振動確保了水、冰滴不會“附著”到所述組件的表面。由此可以實現(xiàn)有效防止結(jié)冰。為了達(dá)到除冰目的，振動會確保冰晶體在風(fēng)力渦輪機組件的表面的微小附著會被破壞，這反過來會使冰從風(fēng)力渦輪機組件上分離。在本文獻(xiàn)中，術(shù)語“壓電的”和/或“壓電”可特別表示一些材料響應(yīng)于所施加的機械應(yīng)力產(chǎn)生電場或電勢的能力。壓電效應(yīng)是可逆的，這表現(xiàn)在具有直接壓電效應(yīng)(即，在施加應(yīng)力時產(chǎn)生電勢)的材料還表現(xiàn)出在施加電場時產(chǎn)生應(yīng)力(應(yīng)變)的逆反的壓電效應(yīng)。壓電振動器可嵌入在組件內(nèi)，優(yōu)選靠近組件的表面?？商娲?，壓電振動器可附連到組件的表面上。在這種情況下，振動器的頂表面代表風(fēng)力渦輪機組件的表面。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，振動器包括壓電膜，其夾在兩個導(dǎo)電層之間，所述導(dǎo)電層連接到發(fā)電機。壓電膜可以具體是壓電聚合物材料。對于壓電聚合物(例如，聚偏氟乙稀 (PVDF)及其它)而言，互相纏繞的長鏈分子在施加電場時互相吸引、排斥，導(dǎo)致應(yīng)變的產(chǎn)生。一個或多個壓電膜可大致設(shè)置在風(fēng)力渦輪機組件的表面上。這些膜電連接到一些交流(AC)電源。當(dāng)AC施加到一個或多個膜時，聚合物分子相互吸引、排斥，從而以等于所施加的AC頻率的頻率振動。與已知的用于風(fēng)力渦輪機組件的除冰和/或防止結(jié)冰的過程相比，壓電膜的使用可提供各種優(yōu)點(A)所描述的除冰和/或防止結(jié)冰系統(tǒng)可在AC電力施加到膜時立即發(fā)生期望的振動(聚合物分子的吸引和排斥)，從而能夠做出快速反應(yīng)，由此破壞冰和渦輪機組件之間的微小附著。(B)所描述的系統(tǒng)能非常容易地控制，即要么壓電膜振動，要么它們不振動。這與例如從組件內(nèi)部加熱風(fēng)力渦輪機組件從而必需在融冰方法可以工作之前使表面達(dá)到特定溫度相比，形成了實質(zhì)性對照。(C)與例如熱能量必須集中到系統(tǒng)中以便加熱風(fēng)力渦輪機組件的整體或部分的方法相比，所描述的除冰和/或防止結(jié)冰系統(tǒng)可以實現(xiàn)成本有效的除冰和/或防止結(jié)冰過程。所描述的系統(tǒng)可以提供的另一優(yōu)點包括可以容易地通過遠(yuǎn)程控制除冰和/或防止結(jié)冰的可能性。在風(fēng)力渦輪機位于不可接近或不容易接近的位置 (例如在海里)，則這可能是特別有益的。通常，結(jié)冰會成為問題的那些風(fēng)力渦輪機都位于非常偏僻的地區(qū)。因此，通過遠(yuǎn)程控制獲得容易和有效的可操作性是非常重要的特征。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，振動器用保護層敷涂。這可以提供這樣的優(yōu)點，即可顯著增強振動器抵抗環(huán)境影響的耐用性，并可保證所描述系統(tǒng)的長壽命和可靠操作。保護層可以是任何材料，其確保了壓電膜造成的機械影響可通過保護層傳送到組件表面，特別是傳送到組件和所附著的冰或冰可能附著的位置之間的連接表面。保護層可包括一些彈性或半彈性材料，比方說例如硅和/或橡膠。另外，保護層還可以是導(dǎo)電金屬箔。同樣，可使用傳統(tǒng)涂層或油漆以用來實現(xiàn)保護層。
根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，振動器集成于組件的表面層內(nèi)。同樣，該實施例可提供這樣的優(yōu)點，即可顯著增強振動器抵抗環(huán)境影響的耐用性，并可保證所描述系統(tǒng)的長壽命和可靠操作。此外，可能很重要的是，表面層由一種材料制成，并且包括了這樣的性質(zhì)，S卩確保了壓電膜造成的機械影響(即，振動能量)可傳送到組件表面，特別是傳送到組件與所附著的冰或冰可能附著的位置之間的連接表面。具體地，如果組件由加固材料制成，其包括若干個層，則壓電膜可容易地集成在加固材料的一層內(nèi)。在生產(chǎn)這類組件時，只需確保的是，集成同樣適當(dāng)?shù)碾娎|，用來將電信號施加到壓電膜。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，振動器包括另一壓電膜，其中所述壓電膜的壓電聚合物纖維被沿著第一方向取向，所述另一壓電膜的另一壓電聚合物纖維沿著與第一方向不同的第二方向取向。這可能意味著除冰和/或防止結(jié)冰系統(tǒng)的振動器是由超過一種的膜元件構(gòu)建成的，其中不同膜元件的壓電聚合物纖維沿不同方向延伸，例如聚合物分子的一部分基本沿組件(例如轉(zhuǎn)子葉片)的縱向方向取向，而聚合物分子的另一部分則基本沿組件(例如轉(zhuǎn)子葉片)的橫向方向取向。由此，響應(yīng)于AC電信號的施加，每個部分沿不同方向收縮。 這可提高振動器去除已經(jīng)附著到組件表面的冰的能力。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，發(fā)電機適于產(chǎn)生具有可變頻率和/或可變幅度的電信號。這可提供這樣的優(yōu)點，即根據(jù)要被移除的冰的結(jié)構(gòu)，可以選擇適當(dāng)?shù)恼駝宇l率和/或適當(dāng)幅度。由此，幅度可以由電信號的電壓限定。可變頻率波形發(fā)生器覆蓋的頻率范圍可從例如0. 1 Hz擴展到高達(dá)幾kHz，具體地,是從1 Hz到10 kHz，更具體地，從20 Hz到2 kHz。在振動器包括如上所述的壓電膜的情況下，膜厚度可至少大致適應(yīng)于目標(biāo)頻率。 換言之，可以選擇頻率和/或厚度，使得壓電膜至少在其共振頻率附近被驅(qū)動。這可提供這樣的優(yōu)點，即可以實現(xiàn)相對大的振動幅度。優(yōu)選地，共振頻率可以與厚度模式的振動相關(guān)聯(lián)。—般來講，所描述的發(fā)電機可以允許實現(xiàn)綜合控制的可能性，特別是在所施加頻率和所施加電壓兩者可以很多組合方式被控制時。特別地，對于所描述系統(tǒng)的各個實施例，AC電信號的頻率可以是單調(diào)的，或者可以是諸如掃過限定的頻譜那樣交替變化的。對于其它實施例，AC電信號的幅度可以是單調(diào)的， 或者可以是諸如掃過限定的幅度范圍那樣交替變化的。而且，AC電信號的頻率和/或幅度可以根據(jù)一個或多個環(huán)境參數(shù)(諸如溫度、空氣濕度等)而被改變。在其它實施例中，AC電信號的頻率和/或幅度可以根據(jù)一個或多個操作參數(shù)(諸如傳動系中的振動、旋轉(zhuǎn)速度等) 被改變。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，所述系統(tǒng)進一步包括傳感器，其連接到發(fā)電機，且其適于根據(jù)風(fēng)力渦輪機的確定環(huán)境和/或操作條件觸發(fā)發(fā)電機的操作。這可能意味著，如果傳感器提供了指示風(fēng)力渦輪機的預(yù)定環(huán)境和/或操作條件出現(xiàn)的相應(yīng)觸發(fā)脈沖，則所描述系統(tǒng)可以啟動其自身。因此，這類條件可以由一個或多個傳感器確定，傳感器連接到發(fā)電機。所描述的傳感器可以直接連接到發(fā)電機，或經(jīng)由例如控制單元間接連接到發(fā)電機。這類控制單元可用于對傳感器信號進行詳細(xì)分析。因此，對不只是實際的傳感器輸出信號進行考慮可能是可行的。傳感器信號分析還可以考慮相應(yīng)傳感器輸出信號的時間依從性。至少一個傳感器可以是例如冰傳感器，其適于檢測風(fēng)力渦輪機組件的表面上冰的存在。至少一個冰傳感器可以位于風(fēng)力渦輪機的任何結(jié)構(gòu)上。至少一個傳感器還可以是例如適于檢測環(huán)境條件的傳感器，所述環(huán)境條件可能促進冰在風(fēng)力渦輪機組件的傳感器上的形成。在此方面，要提到的是，當(dāng)滿足特定環(huán)境條件時，出現(xiàn)結(jié)冰的風(fēng)險。然而，這些條件是局部條件。當(dāng)風(fēng)力渦輪機機靜止時，它會在所述條件存在的所有時間里暴露于結(jié)冰過程中。這與例如飛機(在空中)形成完全對照，飛機僅僅在其飛行在該局部區(qū)域中時才暴露于所述局部條件。改變例如飛機的高度，會改變環(huán)境條件，且因此改變結(jié)冰的風(fēng)險。因此，飛機(在空中)可尋求避免結(jié)冰，而風(fēng)力渦輪機則不能。 結(jié)果，所描述的具有至少一個環(huán)境傳感器的系統(tǒng)可以非常有效地用于執(zhí)行除冰和/或防止結(jié)冰。因此，可以只在實際需要時，啟動振動器。結(jié)果，所描述的系統(tǒng)可以實現(xiàn)能量有效的除冰和/或防止結(jié)冰。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，振動器和傳感器是用一個相同的裝置實現(xiàn)的。這可提供這樣的優(yōu)點，即可用數(shù)目減少的系統(tǒng)組件的零部件來實現(xiàn)所描述的除冰和/或防止結(jié)冰的系統(tǒng)。在此方面，可以利用的是，在額外的質(zhì)量或慣性位于振動器的振蕩部分上時，使振動器的共振頻率改變。因此，上述壓電膜還可用作根據(jù)膜被暴露給的負(fù)載來產(chǎn)生電流的傳感器。結(jié)果，壓電膜可具有冰檢測器的功能。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，組件是風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片。這可提供這樣的優(yōu)點， 即風(fēng)力渦輪機組件免于結(jié)冰和/或可受保護而不附著冰，該組件在很大程度上決定了風(fēng)力渦輪機發(fā)電的效率。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，振動器僅覆蓋葉片表面的一部分，具體是葉片的前緣表面。設(shè)置壓電膜的位置可以優(yōu)選是具有最高結(jié)冰風(fēng)險的位置，諸如葉片前緣、風(fēng)速計和風(fēng)向傳感器。對于本發(fā)明的各個實施例，設(shè)置壓電膜的位置可改變。然而，當(dāng)然優(yōu)選的是壓電膜設(shè)置在具有高結(jié)冰風(fēng)險的位置。這樣的位置具體是葉片前緣、風(fēng)速計和/或風(fēng)向傳感器。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，振動器的壓電材料包括具有截面為矩形形狀的布局。 因此，矩形截面可沿葉片的前緣設(shè)置。矩形截面可覆蓋葉片前緣的一部分，或可替代地至少覆蓋葉片前緣的基本上全部區(qū)域。壓電膜可以被單獨或共同地電啟動。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，振動器的壓電材料包括具有多個條帶形狀的布局。這些條帶可以沿葉片的前緣設(shè)置。因此，所述條帶可覆蓋前緣的一部分，或可替代地至少覆蓋前緣的基本上全部區(qū)域。同樣，所述條帶可以被單獨或共同地電啟動。對各壓電膜部分的控制可取決于所施加的AC控制策略。因此，不同的條帶可一起或分別地電連接到一個或多個壓電膜部分。同樣，對于上述具有矩形形狀的截面的布局也如此。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，振動器的壓電材料包括具有至少兩排互聯(lián)條帶形狀的布局。因此，兩排中的至少一排可形成梳狀結(jié)構(gòu)。在兩排都具有梳狀結(jié)構(gòu)的情況下，這些結(jié)
7構(gòu)可相對于彼此插入。所述至少兩排可以被單獨或共同電啟動。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于對風(fēng)力渦輪機的組件除冰和/或避免風(fēng)力渦輪機的組件結(jié)冰的方法。所提供的方法包括(a)將來自發(fā)電機的電信號供應(yīng)到振動器，該振動器包括壓電材料并且至少安裝到組件的一部分；(b)響應(yīng)于供應(yīng)的電信號，使振動器振動；和(c)將來自正在振動的振動器的振動能量傳送到組件的至少一個表面部分。同樣，所描述的方法基于這樣的構(gòu)思，即壓電引起的組件表面部分的振動確保了水滴不會“附著”到組件的表面，從而可以實現(xiàn)有效防止結(jié)冰。因此，如果冰已經(jīng)附著到組件，則壓電引起的振動會確保冰晶體在組件表面的微小附著會被破壞，這反過來會使冰從組件上分離。因此，可以實現(xiàn)有效除冰。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述組件是風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片，并且將來自發(fā)電機的電信號供應(yīng)到振動器是作為風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)來控制的。這可提供這樣的優(yōu)點，即可以以從第一葉片掉下的冰不會擊中在冰脫落時刻位于第一葉片下面的第二葉片的可能性方式來控制振動器的操作。特別是，可以僅在相應(yīng)葉片至少定位于大致在旋轉(zhuǎn)軸線下面的時間段中啟動振動器，使得可以避免從很高處掉下來冰，或者冰從很高處掉下來的可能性可至少被顯著降低。在此方面，要提到的是，由于(a)現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機組件的尺寸，(b)渦輪機的高度和(c)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度，如果冰塊在渦輪機組件上松動，且可能通過例如轉(zhuǎn)子葉片拋離，則這可能變得極其危險。因此，基于旋轉(zhuǎn)角來控制振動器的操作可有助于提高在風(fēng)力渦輪機周圍的區(qū)域內(nèi)的安全性。應(yīng)注意的是，已經(jīng)參照不同主題描述了本發(fā)明的實施例。具體是，參照方法類權(quán)利要求描述了一些實施例，而參照方法類權(quán)利要求描述了其它實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過上文和下文的描述可以認(rèn)識到，除非另外指出，除了屬于一種主題類型的特征的任何組合之外，涉及不同主題的特征(具體是設(shè)備類型權(quán)利要求的特征和方法類型權(quán)利要求的特征)之間的任何組合都被認(rèn)為已經(jīng)被該文獻(xiàn)公開。上文限定的本發(fā)明的各方面和本發(fā)明的其它方面通過下文描述的實施例的示例是很顯然的，并參照實施例的示例對其進行解釋。下文將參照實施例的示例來更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于實施例的示例。


圖1示出了具有帶兩個葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機，其中每個葉片均配備有壓電振動器，用來除去各個葉片的冰和/或用來防止其結(jié)冰。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于風(fēng)力渦輪機葉片的除冰和/或防止結(jié)冰的系統(tǒng)。圖3示出了振動器的橫截面，振動器附連到風(fēng)力渦輪機葉片，并由保護層覆蓋。圖4a、圖4b和圖如示出了用于將壓電振動器附連到風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片上的各個位置。
具體實施例方式附圖中的圖示是示意性的。要注意的是，在不同附圖中，相似或相同元件用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示，或用僅第一數(shù)位不同的相應(yīng)附圖標(biāo)記標(biāo)示。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的風(fēng)力渦輪機100。風(fēng)力渦輪機100包括塔 120，其安裝在未示出的地基上。塔120的頂部設(shè)置機艙122。塔120和機艙122之間提供偏擺角調(diào)節(jié)裝置121，其能夠使機艙122繞未示出的豎直軸線旋轉(zhuǎn)，該豎直軸線與塔120的縱向延長部分對齊。通過以適當(dāng)方式控制偏擺角調(diào)節(jié)裝置121，可以保證在風(fēng)力渦輪機100 的正常操作中，機艙122總是適當(dāng)?shù)貙χ?dāng)前的風(fēng)向。風(fēng)力渦輪機100進一步包括具有3個葉片114的轉(zhuǎn)子110。在圖1的透視圖中， 只可以看到2個葉片114。轉(zhuǎn)子110可繞旋轉(zhuǎn)軸線IlOa旋轉(zhuǎn)。安裝于也稱作轂的驅(qū)動箍 (collar) 112的葉片114相對于旋轉(zhuǎn)軸線IlOa徑向延伸。在驅(qū)動箍112和葉片114之間相應(yīng)提供了葉片調(diào)節(jié)裝置116，以便通過繞未示出的軸線來旋轉(zhuǎn)各葉片114從而調(diào)節(jié)每個葉片114的葉片傾角，該未示出的軸線基本與各葉片 114的縱向延伸部分平行對齊。通過控制葉片調(diào)節(jié)裝置116，能夠以至少在風(fēng)不夠強時從可用的風(fēng)力獲得最大風(fēng)力的方式來調(diào)節(jié)各葉片114的葉片傾角。根據(jù)這里描述的實施例，機艙122內(nèi)提供了變速箱124。變速箱IM用來將轉(zhuǎn)子 110的回轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成軸125的更大回轉(zhuǎn)數(shù)，軸125以已知方式耦連到發(fā)電機128。此外，提供了制動器126，以便例如在遇到非常大的風(fēng)和/或在緊急情況時，停止風(fēng)力渦輪機100的操作或降低轉(zhuǎn)子110的旋轉(zhuǎn)速度。風(fēng)力渦輪機100進一步包括用來以高效率方式操作風(fēng)力渦輪機100的控制系統(tǒng) 150。除了控制例如偏擺角調(diào)節(jié)裝置121之外，所描述的控制系統(tǒng)150還用來通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片114的葉片傾角并通過以最優(yōu)方式確定用于風(fēng)力渦輪機100的適當(dāng)發(fā)電參考值，來控制轉(zhuǎn)子110的旋轉(zhuǎn)速度。此外，不管轉(zhuǎn)子110如何，控制系統(tǒng)150用來調(diào)節(jié)機艙122的偏擺角。為了控制風(fēng)力渦輪機100的操作，控制系統(tǒng)150連接到旋轉(zhuǎn)速度傳感器143，其根據(jù)這里描述的實施例連接到變速箱124。旋轉(zhuǎn)速度傳感器143將信號饋送到控制系統(tǒng)150， 該信號表示了轉(zhuǎn)子110的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度。盡管對于實現(xiàn)除冰和/或防止結(jié)冰系統(tǒng)不是必需的，但是圖1中所示的風(fēng)力渦輪機100包括(a)連接到發(fā)電機128的功率傳感器141 ；和(b)角度傳感器142，其根據(jù)這里描述的實施例連接到各個葉片調(diào)節(jié)裝置116。功率傳感器141提供關(guān)于風(fēng)力渦輪機100的當(dāng)前功率產(chǎn)生情況的信號。角度傳感器142則提供了關(guān)于所有轉(zhuǎn)子葉片114的當(dāng)前葉片傾角設(shè)置的信息。而且，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，每個葉片114包括附連的壓電振動器180，其在操作中時執(zhí)行對各轉(zhuǎn)子葉片114的各表面部分的除冰和/或防止其結(jié)冰。關(guān)于壓電振動器 180和能夠驅(qū)動振動器180的設(shè)備的更多細(xì)節(jié)將在下面的段落中給出。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于風(fēng)力渦輪機的葉片214的除冰和/或防止結(jié)冰的系統(tǒng)260。系統(tǒng)260包括振動器觀0，振動器280是通過將壓電膜附連在風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片214的至少一部分表面上來實現(xiàn)的。根據(jù)特定實施方式，壓電膜可覆蓋葉片214 的整個表面或僅覆蓋葉片214的一個或多個表面部分。優(yōu)選地，壓電膜覆蓋葉片214的前緣區(qū)域。振動器280經(jīng)由電纜^Oa連接到發(fā)電機270。電纜^Oa,下文也命名為振動器電纜^Oa,包括兩條電線。第一電線與壓電膜的第一表面上形成的第一金屬層(圖2中未顯示)連接。第二電線與壓電膜的第二表面上形成的第二金屬層(圖2中未顯示)連接。通過將交流(AC)信號施加到這兩條電線，發(fā)電機270可以使壓電膜振動。然后相應(yīng)的振動能量傳送到葉片214的表面。壓電引起的葉片214表面部分的振動確保了水滴不會“附著”。由此可以實現(xiàn)有效防止結(jié)冰。如果冰已經(jīng)附著到葉片表面，則壓電引發(fā)的振動會確保冰晶體在組件葉片的表面的微小附著會被破壞，這反過來會使冰從組件上分離。從而，可以實現(xiàn)有效的除冰。除冰和/或防止結(jié)冰的系統(tǒng)260進一步包括冰傳感器四0，其經(jīng)由傳感器電纜 290a連接到發(fā)電機270。冰傳感器290適于根據(jù)葉片214上冰的存在來觸發(fā)發(fā)電機270的操作。因此，如果傳感器290提供指示有冰存在的相應(yīng)觸發(fā)脈沖，則系統(tǒng)沈0自身會啟動。 當(dāng)然，還可以使用超過一個的傳感器。同樣，也可以使用除冰傳感器之外的其它傳感器，例如以便確定環(huán)境條件，所述環(huán)境條件在不存在振動器觀0的振動時，可導(dǎo)致葉片214結(jié)冰。圖3示出了振動器380的橫截面，該振動器附連到風(fēng)力渦輪機葉片的加固材料 3Ha。振動器包括壓電材料384，其被夾在第一電極層382和第二電極層386之間。兩個電極層382和386形成一個電容器，其可以用由發(fā)電機供應(yīng)的AC信號驅(qū)動。從而，可以在壓電材料384內(nèi)生成隨時間而變的電場，這使得壓電材料384振動。第二電極層386被保護層388覆蓋，其保護振動器380不受可能由惡劣環(huán)境條件(如大雨或冰雹)引起的損壞的影響。要提到的是，保護層應(yīng)該由一種材料制成，該材料允許由振動器380產(chǎn)生的振動可以傳送到保護層388的頂表面。壓電引起的保護層388的頂表面的振動然后會破壞冰和保護層388之間的微小附著，使冰從轉(zhuǎn)子葉片脫落。對于本發(fā)明的各個實施例而言，壓電膜的布局可以取決于以下參數(shù)，諸如壓電膜的位置，由壓電膜覆蓋的區(qū)域大小，區(qū)域的暴露程度等等。圖4a、圖4b和圖如示出了將壓電振動器附連到風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片414上的幾個位置。圖如圖解說明了截面為矩形的膜布局480a，它們沿葉片414的前緣設(shè)置，并基本覆蓋前緣的全部區(qū)域?？梢詥为毣蛘吖餐妴泳匦文?80a。圖4b圖解說明了沿葉片414前緣的條帶480b的膜布局。條帶480b只覆蓋前緣區(qū)域的一部分。可單獨或共同電啟動條帶。圖如圖解說明了兩排480c互聯(lián)條帶的壓電膜布局?？蓡为毣蚬餐妴铀鰞膳?480c。應(yīng)該注意的是，術(shù)語“包括”并不排除其它元件或步驟，措辭“一”或“一個”的使用并不排除多個。同樣，關(guān)于不同實施例描述的所有元件可以進行組合。還應(yīng)該注意的是，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記并不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是對權(quán)利要求范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力渦輪機(100)的組件(114，214，414)的除冰和/或用于避免風(fēng)力渦輪機(100)的組件(114，214，414)結(jié)冰的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)(260)包括振動器(280，380)，其包括壓電材料(384)，并且適于至少安裝到所述組件(114，214， 414)的一部分，和發(fā)電機(270)，其適于將電信號供應(yīng)至所述振動器(280，380)，其中所述電信號使所述振動器(280，380)振動，并將振動能量傳送到所述組件(114，214，414)的至少一個表面部分。
2.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)包括壓電膜(384)，其夾在兩個導(dǎo)電層(382，386 )之間，所述導(dǎo)電層電連接到所述發(fā)電機(270 )。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)用保護層 (388)敷涂。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)集成于所述組件(114，214，414)的表面層內(nèi)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)包括另一壓電膜，其中所述壓電膜的壓電聚合物纖維沿著第一方向取向，所述另一壓電膜的另外的壓電聚合物纖維沿著與所述第一方向不同的第二方向取向。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)電機(270)適于產(chǎn)生具有可變頻率和/或可變幅度的電信號。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，進一步包括傳感器(290)，其連接到所述發(fā)電機(270)，并且適于根據(jù)所確定的風(fēng)力渦輪機(100) 的環(huán)境條件和/或操作條件來觸發(fā)發(fā)電機(270)的操作。
8.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)和傳感器(290)是用一個相同裝置來實現(xiàn)的。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述組件是所述風(fēng)力渦輪機(100) 的轉(zhuǎn)子的葉片(114，214，414)。
10.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)只覆蓋所述葉片 (114,214,414)的表面的一部分，具體為所述葉片(114，214，414)的前緣表面。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求9-10中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)的壓電材料(384)包括具有截面為矩形(480a)形狀的布局。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求9-10中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)的壓電材料(384)包括具有多個條帶(480b)的形狀的布局。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求9-10中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述振動器(280，380)的壓電材料(384)包括具有至少兩排互連條帶(480c)的形狀的布局。
14.一種用于風(fēng)力渦輪機的組件(114，214，414)的除冰和/或用于避免風(fēng)力渦輪機的組件(114，214，414)結(jié)冰的方法，所述方法包括將來自發(fā)電機(270)的電信號供應(yīng)到振動器(280，380)，所述振動器包括壓電材料 (384)并且被至少安裝到所述組件(114，214，414)的一部分，響應(yīng)于所述被供應(yīng)的電信號，使所述振動器(280，380 )振動，和將來自所述正在振動的振動器(280，380)的振動能量傳送到所述組件(114，214，414)的至少一個表面部分。
15.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述組件是所述風(fēng)力渦輪機(100)的轉(zhuǎn)子 (110)的葉片(114，214，414)，并且其中將來自所述發(fā)電機(270)的電信號供應(yīng)到所述振動器(280，380)是作為所述風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子(110)的實際旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)來加以控制的。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過振動壓電材料來防止風(fēng)力渦輪機組件結(jié)冰和/或除冰。具體地，提供了一種用于風(fēng)力渦輪機的組件的除冰和/或避免風(fēng)力渦輪機的組件結(jié)冰的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括振動器，其包括壓電材料并且適于至少安裝到組件的一部分；和發(fā)電機，其適于將電信號供應(yīng)至振動器，其中電信號使振動器振動，并將振動能量傳送到組件的至少一個表面部分。本文還進一步描述了相應(yīng)的用于風(fēng)力渦輪機的組件的除冰和/或用于避免風(fēng)力渦輪機的組件結(jié)冰的方法。
文檔編號B06B1/06GK102242694SQ201110122318
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者利伯格倫 P. 申請人:西門子公司