具有光學的壓力傳感器的風能設備以及用於運行風能設備的方法與流程

2024-01-27 23:12:15

本發明涉及一種具有壓力傳感器的風能設備以及一種用於運行這種風能設備的方法。

背景技術：

根據現有技術，風能設備承受具有不同特性的風，所述風來自不同方向並且以不同強度尤其吹到風能設備的轉子葉片上。在這種不同的風況下，風能設備將由風提取的動能轉化為電能，並且將所述電能饋入供電網中。在將風能轉化為電能時，風能設備根據風況和預定的要饋入的電功率在不同的工作點運行，其中尤其由葉片俯仰角和要設定的發電機力矩確定每個工作點。

在此，儘可能理想地設定工作點，以便在考慮長的使用壽命的情況下並且越來越多地在保持小的運行噪音的情況下實現有效率的運行。有效率尤其指的是由可用的風產生儘可能高的能量。在此，當風能設備建在住宅區範圍中時，尤其將主要由轉子葉片上的湍流產生的運行噪音最小化，以至於居民不會被風能設備的轉子葉片的噪音打擾。

通常——為了滿足上述運行前提——例如以計算機輔助的方式研發和模擬轉子葉片，其中也藉助於模型通過在風洞中的實際試驗來檢驗由此研發的轉子葉片的實際性能。在研發時，例如匹配於在建立地點處通常佔主導的風況地研發轉子葉片。

隨後，風能設備的用於設定和/或調節設備的理想工作點的控制裝置和/或調節裝置匹配於相應的轉子葉片的特性。為此，在控制裝置和/或調節裝置中存儲有一種轉子葉片模型，所述轉子葉片模型在最簡單的情況下由一個或多個換算表建立。然後，藉助於轉子葉片模型在附加地考慮測量出的風況的情況下設定和/或調節工作點，使得實現轉子葉片的估計的入流情況。在此，入流情況尤其理解為在轉子葉片上的流分布。

據此，風能設備的控制裝置和/或調節裝置考慮分別安裝在風能設備上的轉子葉片的預定的性能以設定風能設備的工作點。然而，在這種調節和/或控制中得到技術上的問題：轉子葉片的性能在使用壽命期間變化，並且因此在僅考慮預定的轉子葉片模型的情況下不再能夠理想地設定工作點。

此外，轉子葉片的這種老化過程也是在轉子葉片模型中不可考慮的，因為所述老化過程與多個——而且偶然的——因素相關。因此，在轉子葉片上的漆層的例如腐蝕、即尤其脫落對在轉子葉片表面或轉子葉片壁上的流特性產生強烈的影響，所述腐蝕在轉子葉片前緣處、尤其在轉子葉片的外部區域中產生。然而，腐蝕尤其與在相應的風能設備的環境空氣中的顆粒的數量和狀態相關，使得不可預見出現的腐蝕。

據此，在調節的和/或設定的工作點，在一些運行時間之後，轉子葉片的預定的入流情況不再對應於實際的入流情況。

德國專利和商標局在優先申請中檢索到如下現有技術：WO 2012/122 669 A1和US 7 159 468 B2。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是，找到一種風能設備和一種用於所述風能設備的運行的方法，所述風能設備和方法——尤其與隨著使用壽命變化的轉子葉片性能相關地——實現：風能設備在基本上理想的或最優的工作點運行。

本發明通過根據權利要求1的風能設備以及根據權利要求16的用於運行風能設備的方法實現目的。

為此，本發明涉及一種風能設備，所述風能設備具有至少一個轉動部分、尤其轉子，所述轉動部分具有至少一個轉子葉片。此外，風能設備具有至少一個設置在轉子葉片上的光學的壓力傳感器。在此，作為光學的壓力傳感器使用任意如下光學的壓力傳感器，所述光學的壓力傳感器藉助於光導纖維與施加在傳感器上的壓力相關地改變預先配置的光，即具有預定特性、例如預定的波長的光。

為了變化光的特性，光學的壓力傳感器例如具有鏡或幹涉光柵(Interferenzgitter)，所述幹涉光柵通過壓力影響而機械地移動。有利地，這種傳感器具有如下特性：所述傳感器不具有金屬的部件和/或組件進而具有高的電磁兼容性。由此，具有變化的特性的光將關於實際施加的壓力和壓力波動的信息傳遞到傳感器上進而傳遞到轉子葉片上，其中能夠評估這些信息。在轉子葉片的表面上的壓力波動也稱作壁壓力波動，所述轉子葉片的表面也稱作轉子葉片壁。

此外，本發明基於的認知是：能從施加到轉子葉片上的壓力變化推斷出轉子葉片的不同入流情況，所述壓力變化得出瞬時壓力值。為了評估，構成傳感器的壓力值的頻譜和/或尤其功率密度譜。據此，轉子葉片的入流情況能夠由這些頻譜和/或功率密度譜確定。因此，結合區域(Integrationsbereich)與流拓撲(層流的或湍流的邊界層)相關地具有不同的功率密度譜。

據此，能夠藉助於光學的壓力傳感器測量作用到轉子葉片上的壓力值或壓力差，使得一個或多個轉子葉片的實際的入流情況是可測量的而不必從模型中獲取。由此，在調節時能夠考慮實際的入流情況，使得尤其也能夠考慮轉子葉片的老化過程。此外，與在轉子葉片上的常規傳感器不同，光學的壓力傳感器能夠持續運轉，因為所述光學的壓力傳感器相對於靜電電荷和/或快速放電不敏感。

根據第一有利的實施方式，風能設備的至少一個轉子葉片具有至少兩個在轉子葉片的壓力側和/或抽吸側上的光學的壓力傳感器。根據另一有利的實施方式，至少一個轉子葉片具有四個在壓力和抽吸側上分布的光學的壓力傳感器。

通過設置多個分布的壓力傳感器，能夠在轉子葉片的表面的不同區域中測量壓力曲線分布進而能夠測量不同的局部的流動情況，例如層流的和湍流的或局部的有效的調節角和入流速度，進而也能夠在位置方面限定流動情況的過渡區域。關於在轉子運行上的入流速度和調節角的分布的信息能夠用於：在風切變(即風速隨高度的變化)以及風向隨高度的變化方面評估風場。這些信息能夠用於例如在功率、噪音或負荷方面最優地運行設備。

根據另一有利的實施方式，光學的壓力傳感器或其中至少一個光學的壓力傳感器設置在後緣的區域中，例如設置在轉子葉片的輪廓深度的98％處。根據一個特別有利的實施方式，設置在轉子葉片的位於徑向外部的30％至40％處。

藉助於在轉子葉片的後緣的區域中的光學的壓力傳感器能夠確定瞬時壓力值，所述壓力值尤其在後緣上作用於轉子葉片。據此，在該區域中的壓力傳感器有利地尤其用於確定在葉片後緣上的湍流。這些壓力波動允許推斷出轉子葉片的所發出的聲功率。為此，例如還形成壓力傳感器的壓力值的功率密度譜或頻譜，其中功率在特定的——與葉片幾何形狀相關的頻率範圍中——是用於發出的聲功率的計量單位。尤其，當葉片俯仰角和/或發電機力矩不最優地匹配於風況進而在轉子葉片壁上產生不期望的湍流和/或流分離效應時，產生提高的、發出的聲功率。據此，在設定工作點以降低噪音時，有利地考慮藉助於在後緣上的光學的壓力傳感器確定的壓力波動，其方式例如是：依據功率密度譜的或頻譜的功率或幅值，對調節給定值或設定參數進行匹配。因此，能夠有利地使風能設備的噪音排放最小化。

根據本發明的另一有利的實施方式，至少一個轉子葉片具有多個光學的壓力傳感器，所述壓力傳感器沿流動方向偏移地設置。在此，偏移角尤其選擇為，使得定位在下遊的壓力傳感器不被定位在上遊的壓力傳感器的出現的過渡楔(Transitionskeile)影響。

據此，壓力傳感器設置為，使得過渡楔、即楔形構成的從層流至湍流的過渡部不影響在下遊跟隨的壓力傳感器的測量值或使其測量值失真，其中由於壓力傳感器能夠沿流動方向或朝下遊在壓力傳感器後方產生所述湍流。根據另一特別的實施方式，偏移角與轉子葉片的輪廓相關。在此，根據另一特殊的實施方式，與輪廓相關的偏移角——關於垂直於轉子葉片的葉片角調整軸線定向的輪廓剖切線——位於5°至20°的範圍中、優選為15°，其在葉片輪廓前緣(滯點)處起始分別沿著壓力側和抽吸側朝後緣伸展。

藉助於在葉片剖面的區域中以這種方式設置的壓力傳感器，能夠沿著葉片剖面確定壓力值、尤其瞬時壓力值和/或壓力波動，進而能夠求得瞬時壓力結合區(Druckintegrationsgebiete)。基於這些壓力結合區，能夠在葉片的整體的入流情況以及升力、阻力和俯仰力矩方面確定空氣動力學的剖面輪廓的局部工作點，進而評估葉片剖面的一個或多個相應的區域的局部的性能。因此，壓力傳感器也用作風速計，所述風速計用於確定轉子的整體的入流情況並且在此尤其用於確定風速。此外，能夠確定過渡層，以便能夠藉助於確定過渡層來推斷在風能設備運行中的積冰、汙染、腐蝕或塔吞吐量效應(Turmdurchgangseffekte)。

根據本發明的另一實施方式，轉子葉片具有一個或多個凹陷部，其中所述凹陷部或所述凹陷部中的每個尤其最大是2mm深的。此外，所述凹陷部或所述凹陷部中的每個具有光學的壓力傳感器中的至少一個。光學的壓力傳感器設置在凹陷部中是有利的，因為由此基本上維持轉子葉片的空氣動力學性能。

此外，根據一個特別的實施例，凹陷部是尤其通過銑削引入轉子葉片中的通道。通道一方面具有如下優點：可簡單地，即例如通過銑削製造所述通道。另一方面，通道具有如下優點：在轉子葉片旁流過的空氣能夠基本上沿流動方向到達凹陷部中，進而到達光學的壓力傳感器的區域中。

根據另一實施方式，一個或多個凹陷部由在相應的凹陷部的區域中被移除的犧牲層製造或形成。據此，在製造轉子葉片時，將——對於轉子葉片的穩定性不重要的——附加的層施加到轉子葉片上，尤其施加在應設置光學的壓力傳感器的區域中。即使在此僅討論一個層，在此也包含多個材料層。在例如通過銑削製造時，在特定的區域中移除這些附加施加的層，使得產生凹陷部、尤其通道，然後將一個或多個光學的壓力傳感器裝入所述凹陷部、尤其通道中。

由於藉助於移除的犧牲層產生凹陷部，所以儘管存在凹陷部，但是與不具有光學的壓力傳感器的轉子葉片相比維持了葉片穩定性。

根據另一實施方式，光學的壓力傳感器通過粘貼固定到凹陷部中。通過粘貼光學的壓力傳感器避免轉子葉片的螺孔或其他機械改變，使得與不具有光學的傳感器的轉子葉片相比基本上維持葉片穩定性。

根據另一實施方式，轉子葉片具有一個或多個開口，所述開口用於連接外部環境與轉子葉片的內部空間。此外，轉子葉片具有多個分別帶有至少一個光導纖維的光學的壓力傳感器。所述光導纖維中的多個光導纖維穿過開口中的至少一個開口被引入轉子葉片的內部空間中。據此，一個開口用於多個光學的壓力傳感器的光導纖維，以至於轉子葉片對於每個光導纖維而言具有小於一個的開口。由此，與不具有光學的壓力傳感器的轉子葉片相比，具有光學的壓力傳感器的轉子葉片的葉片穩定性儘可能維持不變。

根據另一實施方式，風能設備的轉動部分除了轉子葉片以外具有導流罩和轉子轂。此外，為了光學的壓力傳感器信號的信息傳遞，光導纖維在轉子葉片的內部空間中伸展至導流罩和/或轉子轂中的區域。因此，僅用於傳遞光學的壓力傳感器的信號、值和/或信息的光導體在轉子葉片的區域中伸展。這些光纜相對於電磁輻射是不敏感的，進而例如相對於雷擊或其他電磁幹擾源是魯棒的。

根據另一實施方式，每個光學的壓力傳感器具有兩個光導纖維。第一光導纖維用於輸送具有預定的特性的光，所述光例如在導流罩和/或轉子轂的區域中產生，而第二光導纖維用於回引具有通過壓力傳感器改變的特性的光。

根據本發明的另一實施方式，風能設備除了轉動部分以外具有靜止部分。風能設備的該靜止部分尤其包括風能設備的吊艙，風能設備的控制和調節例如在所述吊艙中進行。根據本實施方式，風能設備設置為，用於將藉助於光學的壓力傳感器確定的信號、值和/或信息從轉動部分傳遞到靜止部分。為此，風能設備例如具有信號、值和/或信息的無線的傳遞機構或經由滑環進行的信息傳遞機構。

從風能設備的轉動部分到靜止部分的這種信息傳遞的優點是：信號、值和/或信息的評估以及調節和控制在風能設備的中央區域中進行，進而不必在轉子葉片中設置附加的電子機構。

根據一個實施方式，在傳遞之前，將光學的壓力傳感器的信號、值和/或信息在導流罩和/或轉子轂的區域中轉換為電信號，以及根據另一特殊的實施方式，放大電信號和/或光學信號。因此，尤其在傳遞和/或轉換時最小化信號、值和/或信息的幹擾敏感性。

根據另一實施方式，風能設備具有尤其在風能設備的靜止部分中的至少一個信號處理裝置。信號處理裝置設置為：用於接收壓力傳感器的值或壓力值，所述值或壓力值也稱作壓力傳感器的信息或信號；以及尤其為了進一步處理而提供和/或評估所述值或壓力值。尤其信號處理裝置用於由所述值求得一個或多個轉子葉片的整體的入流情況——或所述入流情況的至少一個部分區域。據此，信號處理裝置將光學的壓力傳感器的尤其所準備的和/或所評估的信號提供給用於風能設備的其他裝置，以便例如將風能設備的運行性能根據接收的信號和/或信息匹配於轉子葉片的實際的入流情況。

根據一個實施方式，風能設備具有葉片角調節裝置，其中信號處理裝置與葉片角調節裝置連接，以便在調節葉片角時尤其通過對調節的給定值進行匹配來考慮光學的壓力傳感器的由信號處理裝置評估的信號。

根據另一實施方式，風能設備具有發電機力矩調節裝置，其中信號處理裝置與發電機力矩調節裝置連接。所述連接用於在調節發電機力矩時考慮光學的壓力傳感器的由信號處理裝置評估的信號。

據此，能夠根據光學的壓力傳感器的信息和信號調節葉片角和/或發電機力矩，以至於能夠最優地或理想地設定和/或調節風能設備的工作點。

此外，本發明包括一種用於運行風能設備的方法，所述風能設備尤其是根據上文所述的實施方式中的一個實施方式的風能設備。

根據方法的第一實施例，藉助於至少一個設置在轉子葉片中的至少一個轉子葉片上的光學的壓力傳感器檢測壓力值、尤其瞬時壓力值。此外，確定壓力值的頻譜和/或功率密度譜，並且由頻譜、功率密度譜和/或由此經過一段時間形成的頻譜圖求得轉子葉片的入流模型，所述入流模型示出當前的入流情況或入流情況的變化。

藉助於所確定的入流模型能夠確定：轉子葉片俯仰角是否對於滿足所要求的先決條件最優地設定，以及是否能夠在未最優地設定時被改變為，使得達到理想的或最優的工作點。

此外，藉助於所確定的入流模型能夠確定：是否將轉子對於主風向最優地定向。必要時能夠通過吊艙的方位跟蹤補償不利的偏差。

根據本發明的另一實施方式，藉助於入流模型檢測在轉子葉片的後緣的區域中的湍流，進而尤其在轉子葉片的模型、即例如轉子葉片幾何結構的輔助下確定由轉子葉片產生的聲功率。將所確定的聲功率輸送給葉片角調節裝置，並且在葉片角調節裝置中依據聲功率、以及尤其也依據風速設定葉片角調節裝置的葉片俯仰角的給定值。藉助於葉片角調節裝置，在考慮藉助於入流模型計算的所確定的當前的發出的聲功率的情況下，能夠降低由風能設備發出的聲功率。

根據另一實施方式，藉助於入流模型調整風能設備的發電機力矩的調節裝置的和/或葉片角調節裝置的給定值。由此，——尤其即使在「老化的」轉子葉片中——在考慮轉子葉片的當前的性能的情況下，得到風能設備的最優的工作點。

根據另一有利的實施方式，藉助於入流模型在後緣的區域中，尤其在抽吸側上檢測湍流，並且藉助於信號處理裝置確定在壁壓力波動的功率密度譜中的、尤其在低於1000Hz的頻率範圍中的低頻部分的幅值。在功率密度譜中的低頻部分輸送給葉片角調節裝置並且在風能設備的葉片角調節裝置中為相關的葉片或所有葉片設定葉片角調節裝置的給定值，使得在壁壓力波動的功率密度譜中的低頻部分的幅值最小化。

因此，在壁壓力波動的功率密度譜中的低頻部分的提高的幅值是用於在葉片的不期望的流分離的標誌，並且由葉片角的錯誤的設定得出，使得在將提到的幅值最小化時通過調整轉子葉片來抵抗在轉子葉片上的流分離。

由此，能夠進一步優化風能設備的運行或工作點。

附圖說明

在下文中，參照附圖詳細闡述本發明的其他優點和實施例。

圖1示出根據一個實施例的風能設備的示意視圖；

圖2示出根據一個實施例的示意示出的轉子葉片的抽吸側的視圖；

圖3示出根據一個實施例的轉子葉片的葉片剖面的示意視圖；

圖4示出藉助於壓力傳感器記錄的第一功率密度譜；以及

圖5示出藉助於壓力傳感器記錄的第二功率密度譜。

具體實施方式

圖1示出具有塔102和吊艙104的風能設備100。在吊艙104上設置有轉子106，所述轉子帶有三個轉子葉片108和導流罩110。此外，轉子106具有轉子轂112，在所述轉子轂上固定有轉子葉片108。葉片角、即圍繞轉子葉片的調整軸線的轉動角是可設定的，所述調整軸線基本上垂直於轉子的轉動軸線。

具有轉子葉片108、導流罩110和轉子轂112的轉子106也稱作風能設備100的轉動部分，以及具有塔102的吊艙104稱作靜止部分。轉子106在運行中通過風置於轉動運動中，進而驅動在吊艙104中的發電機(未示出)。

圖2示出轉子葉片108的抽吸側的俯視圖。轉子葉片108具有葉片前緣10以及葉片後緣12，所述葉片前緣也簡稱為葉片導緣或葉片前邊。轉子葉片108根據風向定向，使得風從葉片前緣10朝葉片後緣12、即沿對應於箭頭方向14的入流方向14沿著葉片表面掠過。此外，示出葉片適配器16，轉子葉片108藉助於所述葉片適配器固定在葉片轂112上。

此外，示意地通過十字示出光學的壓力傳感器18，所述壓力傳感器沿入流方向14相繼地以偏移角19錯開地設置。在此，偏移角19選擇為，使得定位在下遊的壓力傳感器18不被設置在上遊的壓力傳感器18的可能出現的過渡楔影響。即使在此為了更好的概覽性以高的偏移角19示出壓力傳感器18，優選基於輪廓剖切線20在5°至20°的範圍中選擇偏移角19，所述偏移角是與輪廓相關的。

從壓力傳感器18引導也稱作玻璃纖維導體的光導纖維21穿過葉片適配器16進入轉子轂112中並且在那與變換器22連接，所述變換器將光學的壓力傳感器的光學信號轉換為電信號，和/或在轉換之前和/或之後放大。變換器22與發送裝置24連接，所述發送裝置將電信號轉換為無線電信號並且傳遞到接收裝置26，所述電信號由光學信號得到。

接收裝置26位於風能設備100的靜止部分中，例如位於吊艙104中。接收裝置26再將由發送裝置24接收的信號轉換為電信號。此外，接收裝置26與信號處理裝置28連接，以便將光學的壓力傳感器18的轉換的信號傳遞給所述信號處理裝置。

在信號處理裝置28中，將光學的傳感器18的壓力值或值或者接收的信號、信息進行處理，和/或由此例如確定或產生轉子葉片108的入流模型。然後，將入流模型或至少入流模型的隨時間的變化或值域或所選取的、單個的值輸送給葉片角調節裝置30和/或發電機力矩調節裝置32。根據入流模型，在葉片角調節裝置30中調整要調節的葉片角的調節的給定值；和/或在考慮入流模型的情況下，在發電機力矩調節裝置32中調整要調節的發電機力矩的給定值。

圖3示例地示出葉片剖面，其中在葉片壁34上在抽吸側36和壓力側38上環繞地設置有壓力傳感器18。葉片壁34將轉子葉片108的內側35與外側37分離。

使光學的壓力傳感器18進入未示出的銑削的通道中並且粘貼在那裡，使得這些壓力傳感器不伸出葉片壁。為此，在製造轉子葉片108時在轉子葉片108的表面上施加未示出的犧牲層，所述犧牲層通過在光學的壓力傳感器18的區域中進行的銑削而被移除。

圖4在圖表中示出四個壓力傳感器18的功率密度譜。藉助於壓力傳感器18通過如下方式確定功率密度譜：測量或求得在葉片壁34上產生的壓力值。這些壓力值是瞬時的，然後隨著時間變化，其中能夠藉助於相應的壓力傳感器18的頻譜示出壓力值隨時間的變化。例如在信號處理裝置中對於每個壓力傳感器18形成頻譜。可根據頻譜的功率密度探測特定頻率的和/或頻率範圍的幅值或變化的幅值，所述頻譜的功率密度能夠由傳感器的相應的頻譜確定。尤其也可評估功率密度譜的結合區域。

已知的是，基本上明確地可通過評估壓力值的頻譜確定不同的入流情況。因此，結合區域與流拓撲(層流的或湍流的邊界層)相關地具有不同的功率密度。

據此，能夠通過設置壓力傳感器18將傳感器的各個功率密度譜相互比較，如在圖4中那樣進行。在特定的先決條件下，例如能夠通過以特定方式區分的功率密度譜由限定定位的壓力傳感器推斷出過渡層的位置。過渡層描述在葉片上的如下層：在所述層上例如層流轉化為湍流。在圖4中示例地示出功率密度譜40-46。可看到的是，功率密度譜40明顯與功率密度譜42、44、46不同，由此能夠推斷出過渡層的位置。

據此，上方的曲線40在此是光學的壓力傳感器18的功率密度譜40，在該功率密度譜的區域中存在湍流。下方的三個曲線42至46對應於在壓力傳感器18中產生的如下功率密度譜42至44，在該功率密度譜的區域中存在層流。因此，可藉助於光學的壓力傳感器18在轉子葉片108的運行期間確定過渡層，以便最優地設定風能設備100的工作點。

圖5在圖表中示出同一壓力傳感器18在不同的葉片俯仰角的情況下的三個功率密度譜。在頻率範圍48中出現相對高的幅值。該範圍48在此作為一種幹擾被忽略。

然而，在不同的葉片角的情況下，頻譜在較低的頻率範圍中不同高度的幅值是用於轉子葉片108的發出的聲功率的標誌。據此，曲線對於不同的葉片俯仰角具有不同的值。據此，轉子葉片的角是可設定的，使得這些幅值保持低於預定的閾值或至少保持為最小，以便使轉子葉片108的發出的聲功率最小化。

據此，光學的壓力傳感器18的特定頻率的或特定頻率範圍的幅值，尤其在葉片後緣12的區域中，是用於從轉子葉片發出的聲功率的標誌。這些幅值隨著發出的聲功率增大而升高。據此，藉助於各個光學的壓力傳感器18的所確定的頻譜或功率密度譜能夠在信號處理裝置中產生轉子葉片的入流模型，在信號處理裝置28中由光學的壓力傳感器18的隨時間變化的壓力值確定所述頻譜或功率密度譜。因此，入流模型對應於在轉子葉片108的葉片壁上存在的壓力分布的示圖。

因此，入流模型例如包括多個功率密度譜，如其在圖4和5中示出那樣。尤其，為每個傳感器記錄功率密度譜，使得對於每個時間點能夠由每個傳感器的功率密度譜形成入流模型。

因此，產生的入流模型可使用在風能設備100的總體調節中，以便尤其通過調整轉子葉片和/或發電機力矩最優地設定工作點，以至於風能設備100儘可能有效率地且安靜地工作，並且在此機械應力是儘可能小的。