用於風力渦輪發電機的風檢測器的製造方法
2023-12-03 18:44:01 1
用於風力渦輪發電機的風檢測器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於確定相對於旋轉或靜止的風力渦輪機轉子的相對風向(迎角)的光學檢測器。光學檢測器包括輸出部分，所述輸出部分沿不同預定方向從轉子葉片發出可分辨光束。光束可通過光顏色、通過各個光束髮射的時間、和/或通過各個光束的不同幅值調製頻率或其他調製來分辨。通過確定來自在不同可分辨光束中移動或移動通過不同可分辨光束的風傳播顆粒物的散射光的脈衝時間，或通過確定一時間段內脈衝次數，可以將相對風向或迎角確定為具有最長脈衝時間或在給定時間段內最少脈衝次數的光束的預定方向。
【專利說明】用於風力渦輪發電機的風檢測器
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種用於測量風向的光學器件，特別涉及用於與風力渦輪發電機一起使用的這樣的光學器件。
【背景技術】
[0002]測量轉子前方單一位置處的風對於具有長葉片的風力渦輪發電機可能是不夠的，因為風速和風向可沿葉片長度改變。
[0003]通過了解葉片掃過區域中不同地方處的風狀況，可針對產出功率來改進對葉片槳距角的確定。
[0004]因此，存在使得能夠測量風力渦輪發電機轉子掃過區域中不同位置處的風向和/或風速的需求。
【發明內容】
[0005]在風向測量領域中實現改進將會是有利的。總體上，本發明優選地旨在緩解或消除上文提到的風檢測的缺點。具體地，可視為本發明目的的是提供一種使得能夠檢測現有技術中的轉子掃過區域中不同位置處的風速和/或風向、或其他問題的方法。
[0006]為更好地解決這些問題中的一個或多個，在本發明的第一方面中，提供一種用於風力渦輪發電機的光學風檢測器，用於確定相對於風力渦輪發電機轉子葉片上的位置的相對風向，所述光學風檢測器包括:
[0007]-光束髮生器，其包括輸出部分，所述輸出部分能從葉片上的位置沿第一和第二不同方向輸出光，
[0008]-光學接收器,其能測量第一光學量和第二光學量,所述第一光學量根據測量到的源自第一方向的光學散射光來確定，所述第二光學量根據測量到的源自第二方向的光學散射光來確定。
[0009]輸出部分適用於安裝在葉片位置處，以使得所述輸出部分在轉子前方沿與入射風相反方向發出光，或在轉子後方沿入射風方向發出光。接收器可定位在與輸出部分相同的葉片上，或定位在風力渦輪發電機的其他位置。
[0010]應理解的是，輸出部分可沿不同於第一和第二方向的其他方向輸出光，例如可沿5個、10個、20個或更多方向輸出光束。在實際中，使用彌散元件(諸如稜鏡)可產生無限範圍的光束，因為入射白光被彌散為沿不同方向連續擴散的入射白光，其中沿不同方向的光具有不同波長。類似地，接收器能夠來確定來自不止相應的第一和第二方向的測量的散射光的不止第一和第二量。
[0011]由於第一和第二光學量與第一和第二方向相關聯，因此相對風向能通過分析被確定的第一和第二量來確定為第一或第二光方向。如果光學量是來自粒子的光脈衝數量，則相對風向可被確定為第一和第二方向中與最低光脈衝數量相關聯的光方向。如果光學量是來自粒子的光脈衝時長，則相對風向可被確定為第一和第二方向中與最長光脈衝時長相關聯的光方向。
[0012]有利地，定位在轉子處的輸出部分使得能夠檢測轉子掃過區域內不同位置的相對風向。兩個或更多的輸出部分可沿葉片長度定位，以使得能夠確定在不同徑向距離處的風狀況。
[0013]如由光學風檢測器允許的對風向的確定可改善對葉片槳距角的確定，以及從而可改善功率產出，因為槳距可設定為接近取決於相對風向的最優產出角。此外，可避免葉片的失速效應，並且從而可最小化來自葉片的噪聲和疲勞負載。
[0014]有利的是，光可經由延伸穿過葉片並且進入輪轂中的一個或多個光纖來輸送到輸出部分，以及由光學接收器接收的光可經由相同的所述一個或多個光纖或其他光纖來發送到輪轂，以便將光學量轉換為電學量。然而，這樣的光纖可以不是光學風檢測器的一部分，而是可以與光學風檢測器的光學連接器連接。
[0015]在一實施方式中，第一光學量可被確定為測量到的源自第一方向的光學散射光的脈衝時長和/或脈衝數量，以及第二光學量可被確定為測量到的源自第二方向的光學散射光的脈衝時長和/或脈衝數量。
[0016]在一實施方式中，輸出部分可包括光學稜鏡，所述光學稜鏡配置成接收具有給定光譜的輸入光並且將被接收光輸出為沿第一方向具有第一波長的光和沿第二方向具有第二波長的光。光譜可包括第一和第二波長或在連續光譜或非連續光譜中的更多波長。
[0017]在一實施方式中，光譜可隨時間變化，以使得第一和第二波長在不同時間出現在光譜中。
[0018]在一實施方式中，輸出部分包括設置成沿第一和第二方向輸出光的第一和第二光纖。第一和第二光纖中的光發送可以是多路復用的，以使得沿第一和第二方向的輸出光在不同時間產生。
[0019]在一實施方式中，光學風檢測器包括配置成通過分析第一和第二光學量來確定相對風向的處理器。用於確定相對風向的分析可包括確定在一段時間內第一和第二量中的哪個包括最長脈衝時長和/或最低脈衝數量。此外或替代地，所述分析可包括內插或外推針對第一和第二不同方向的第一和第二光學量的值，以便確定相對風向中不與第一和第二方向中任一重合的方向。此外或替代地，光學風檢測器還可配置成根據相對風向和風力渦輪機轉子轉速來確定風速。
[0020]在一實施方式中，處理器還可配置成確定針對轉子的不同角位置的相對風向。以這種方式，可以通過比較在轉子的不同角朝向處的風向來確定轉子方向是否最優。
[0021]本發明的第二方面涉及一種風力渦輪機，其包括根據第一方面的光學風檢測器。輸出部分可安裝在葉片位置處。
[0022]本發明的第三方面涉及一種用於確定相對於風力渦輪發電機轉子葉片上的位置的相對風向的方法，所述方法包括:
[0023]-通過使用光束髮生器來從葉片上的部位沿第一和第二不同方向輸出光，
[0024]-根據測量到的源自第一方向的光學散射光來確定第一光學量，以及
[0025]-根據測量到的源自第二方向的光學散射光來確定第二光學量。
[0026]綜上所述，本發明涉及一種用於確定相對於旋轉或靜止的風力渦輪機轉子的風向的光學檢測器。所述光學檢測器包括輸出部分，所述輸出部分從轉子葉片沿不同預定方向發出可分辨光束。光束可通過光顏色、通過各個光束被發射時間、和/或通過各個光束的不同幅值調製頻率或其他調製來分辨。通過確定來自在不同可分辨光束中移動或移動通過不同可分辨光束的風傳播顆粒物的散射光的脈衝時間，或通過確定在一段時間內的脈衝次數，可以將相對風向或迎角確定為在給定時間段內具有最長脈衝時間或最少脈衝次數的光束的預定方向。
[0027]大體上，本發明的各方面可以在本發明範圍內的任何可能的方式結合和連接。本發明的這些以及其他方面、特徵、和/或優點將參考在下文中描述的實施方式而易於理解以及闡明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]本發明的實施方式將僅通過實施例並參照附圖來描述，其中:
[0029]圖1示出風力渦輪發電機，
[0030]圖2展示用於通過從葉片沿不同方向輸出光束來測量相對風向的光學原理，
[0031]圖3示出用於確定風速的幾何尺寸，
[0032]圖4A-D示出用於產生朝向不同方向的光束的不同光學原理，以及
[0033]圖5展示光學風檢測器的部件。
【具體實施方式】
[0034]圖1示出風力渦輪發電機100，其包括塔架101和機艙102。轉子葉片103固定到輪轂104。轉子葉片103的組件(即轉子105)能通過風的作用來旋轉。旋轉方向由方向110指示出。從而，轉子葉片102的由風引起的旋轉能量可經由輪轂來傳輸到機艙中的發動機。從而，風力渦輪發電機100能藉助於轉子葉片將風能轉換為機械能，以及隨後藉助於發動機轉換為電能。
[0035]轉子葉片103或僅葉片103包括但不限於細長結構，所述細長結構具有適合於在穿過空氣相對移動時提供空氣動力學升力的翼形輪廓。
[0036]輪轂104是配置有用於緊固一個或多個轉子葉片103的緊固構件並且可與軸杆連接以便將葉片旋轉能量傳輸到發動機或齒輪箱的結構。
[0037]根據本發明的實施方式，光學風檢測器的輸出部分150連接到葉片103中的一個或多個，例如，如圖1所示，一個檢測器150連接到三個葉片中每個。
[0038]圖2示出在葉片103的縱向位置處的葉片103截面圖。圖2中的葉片具有與塔架101平行的直立方向。旋轉方向由葉片方向110給定，以及入射風的方向大致由風向220給定。
[0039]光學風檢測器的輸出部分150定位在葉片的前緣處。輸出部分150沿不同方向201-204(諸如第一和第二方向201-202)輸出光。
[0040]入射風將包含大量小顆粒物，諸如灰塵、花粉、水滴和冰晶。由輸出部分150發送到空氣中並且穿過空間(體積)230的一部分光將由顆粒物(諸如定位在空間230內的顆粒物)來散射。
[0041]散射光由光學接收器來接收，所述光學接收器可定位在與輸出部分150所連接到的葉片相同的葉片上，或連接到風力渦輪機100上的其他位置，諸如機艙102或輪轂104上。作為實施例，光學接收器的接收部分(例如透鏡)可與輸出部分150結合。例如，安裝在葉片103外殼的孔中的同一透鏡或其他光學部件既可用於輸出光，又可用於接收散射光。
[0042]由光學接收器來接收和測量的散射光可在測量到的源自各個光束211的光學散射光中的一個或多個脈衝的時長和/或脈衝的數量方面被量化。從而，光學接收器將產生持續一時長的脈衝(即測量到的光功率、能量、或保持在給定強度範圍內的強度)，所述時長等同於顆粒物將來自具有給定方向201-204的給定光束中的光散射的時間段。
[0043]能假定的是，顆粒物大致均勻分布在空氣中，並且因此穿過空間230的的顆粒物的濃度基本上獨立於空間230內的位置。因此，在方向204比方向203更靠近顆粒物的相對方向的情況下，在光經過時，與具有方向203的光束相比，沿給定絕對方向220移動的顆粒物將來自具有方向204的光束的光在更長時間段中散射。類似地，在方向204比方向203更靠近風傳播顆粒物的相對方向的情況下，與具有方向203的光束相比，沿給定絕對方向220移動的顆粒物將在給定時間段內從具有方向204的光束產生更低的脈衝數量。
[0044]在此，光束被理解為從輸出部分150輸出的在扇形內(即在給定角度或立體角度內)傳播的光線。從而，多個單獨光束能通過將主光束分裂為更多的窄扇形光線來限定在從輸出部分150輸出的單一發散光束中。因此，光束方向201-204中的每個具有如由光束211來展示的相關聯的光線束。
[0045]假定風具有方向220，與來自與方向202-204相關聯的任何其他光束的散射脈衝相比，例如與方向201相關聯的光束可產生在時間方面更長的散射脈衝。等同地，與來自與方向202-204相關聯的任何其他光束的散射脈衝相比，與方向201相關聯的光束可產生更低的散射脈衝數量。因此，通過確定與方向201-204相關聯的光束211中的哪個光束產生最長的散射脈衝和/或最低的脈衝數量，風能的相對方向被確定為方向201-204中與最長散射脈衝或最低的脈衝數量相關聯的那個。被確定的相對風向由方向221來指示出。被確定的相對風向221的準確性能通過內插或外推從不同方向201-204測量到的散射光的光學量(例如脈衝長度或脈衝數量)來改善。
[0046]重要的是認識到風向220是獨立於葉片103旋轉的絕對方向，而如由光學風檢測器確定的相對風向221給出相對於旋轉或靜止的轉子105的風向。
[0047]圖3展示與圖2中相同的具有旋轉方向103和風向220的葉片103截面圖。弦線310定義經過後緣和前緣的線。旋轉方向103和弦線310之間的角度β是能由槳距致動器來調節的葉片或一部分葉片的槳距角。
[0048]在圖3中，風向220表示假定的絕對風向，而已發現的是，實際相對風向221等同於或大致等同於相關聯的光束211方向201。因此，相對風向221被確定為相對於弦方向310的角度α，或入射角。
[0049]被確定的相對風向α相對於葉片103上的給定位置(例如輸出部分150所定位的位置)來確定。從而，不同相對風向α可沿葉片長度來確定，這對於確定具有例如50米或更長長度的葉片的最優槳距角β而言可能是重要的。
[0050]假定絕對風向220基本上垂直於轉子方向103，則能確定沿風向220的風速或沿相對風向221的風速。從而,沿風向220的風速ws由ws = rs/tan( α +β )給出，以及沿相對風向221的相對風速rws由rws = rs/cos ( α +β )給出，其中rs是以米/秒為單位的轉速。
[0051]光束髮生器和輸出部分150可以不同方式配置，以便沿不同方向(諸如第一和第二不同方向201、202)輸出光。
[0052]圖4A不出光束髮生器450和輸出部分150的實施方式。光束髮生器450包括光纖430，所述光纖能發送具有寬光譜的光(諸如包含至少第一和第二不同波長《1、《2的白光)。光通過由輸出部分150包括的稜鏡421或其他裝置(諸如光柵)來發送。稜鏡將白光擴散到不同方向201-203中，其中沿每個方向的光具有不同波長。因此，輸出部分150配置成沿第一方向201輸出具有第一波長wl的光,並且沿第二方向202輸出具有第二波長w2的光。彌散元件421可設置在葉片103中，以使得光束211從彌散元件中直接地輸出，或經由其他光學兀件(諸如透鏡)輸出，以便控制被輸出的光束211的發散。
[0053]由於光束211根據其不同方向201-203而具有不同波長，因此可以通過使用光學接收器(諸如分光計)來確定測量到的散射光源自光束211中的哪個，所述光學接收器能例如將光強度作為波長的函數來測量。因此，相對風向221能被確定，因為檢測到的脈衝長度或脈衝數量與哪個波長相關聯以及因此與哪個光束方向201-203相關聯是已知的。
[0054]圖4B示出光束髮生器450和輸出部分150的替代實施方式。光纖430能發送具有寬光譜的光。然而，在這個實施方式中，在光纖430中發送的光的光譜隨時間變化，以使得具有第一和第二波長的光在不同時間發送，即第一和第二波長在不同時間出現在被發送光的光譜中。通過光纖發送的光的光譜的變化可由可調諧雷射器或多色LED(發光二極體)系統來產生，所述可調諧雷射器或多色LED系統可受控以產生不同波長並且配置成將光射入光纖430。由於來自光纖的光由散射兀件421根據實際波長來折射，因此沿不同方向201-203的光束在不同時間產生。
[0055]由於在光纖430中發送的光的光譜根據已知時間依存性來變化，因此第一和第二波長在不同時間發送，以及因此無需使用分光計，因為被接收的光的波長能根據不同波長的已知時間依存性來確定。相反，簡單的強度敏感型傳感器(例如光電二極體)能用於檢測散射光，以及相對風向221能被確定，因為根據發射出的光的時間依存性得知檢測到的脈衝長度與光束方向201-203中的哪個相關聯。替代地，如果波長可控型光源的光譜變化的時間(即具有給定波長的光在哪個時間產生)已知，則相對風向221能被確定，因為測量到的脈衝與光束方向201-203中的哪個相關聯是已知的。
[0056]圖4C不出光束髮生器450和輸出部分150的實施方式。光束髮生器450包括多個光纖431-433，其中每個光纖能發送具有相對窄光譜的光(即具有單一顏色wl的光)。因此，第一光纖431可發送具有波長wl的光，以及第二光纖432可發送具有不同波長w2的光。光通過光學相同或光學兀件422 (例如透鏡)來發送，以便將光從第一和第二光纖431、432擴散到第一和第二不同方向201、202中。在由光學器件422來擴散到不同方向中之前，來自光纖431-433中每個的光可單獨地由準直器進行準直。
[0057]類似於圖4A-B中的在前實施方式，光束211根據其不同方向201-203而具有不同波長，以及因此可以通過使用分光計或類似裝置來確定測量到的散射光源自光束211中的哪個。因此，相對風向221能被確定，因為檢測到的脈衝長度和/或脈衝數量與哪個波長相關聯以及因此與光束方向201-203中的哪個相關聯是已知的。
[0058]圖4D示出具有多個光纖431-433的實施方式，所述實施方式類似於圖4C中的實施方式，但是不同之處在於，在第一和第二光纖431-432中發送的光是多路復用的，以使得第一和第二方向201-202中的輸出光在不同時間產生。類似地，對於圖4B中的實施方式，相對風向221能通過利用光束211沿不同光束方向201-203具有不同且可分辨的波長、或通過利用光束211根據其不同方向201-203在不同時間輸出來確定，以使得無需分光計，因為被接收的光的波長能根據不同波長的已知時間依存性來確定。因此，簡單的強度敏感型傳感器能用於檢測散射光，以及相對風向221能被確定，因為多路復用的光束方向201-203的時間是已知的。
[0059]在替代實施方式中，光纖431-433中每個用於發送具有同一窄或寬光譜的光。為能確定測量到的散射脈衝源自相同光學顏色的光束211中的哪個，光纖431-433中每個中的光在光強度方面受到調製(例如利用不同調製頻率或不同調製方案，例如不同小波調製方案)。因此，輸出部分150能輸出沿第一方向具有第一可檢測強度調製的光，以及能輸出沿第二不同方向具有第二可檢測強度調製的光。
[0060]可以通過使用光學接收器和信號分析器(諸如頻率或FFT分析器)來確定測量到的散射光源自被強度調製的光束211中的哪個，所述信號分析器能將散射光強度作為例如調製頻率的函數來測量。因此，相對風向221能被確定，因為檢測到的脈衝長度或脈衝數量與哪個調製方案(例如調製頻率)相關聯並且因此與光束方向201-203中的哪個相關聯是已知的。
[0061]圖5不出包括光束髮生器450的光學風檢測器500。光束髮動機450包括輸出部分150,用於沿不同方向輸出光束211。一個或多個光纖430-433可用於將光輸送到輸出部分150，以及有可能一個或多個光源(諸如雷射器或LED光源)可用於將光發射到光纖430-433中。一個或多個光纖430-433或可與光纖430-433連接的其他一個或多個光纖可延伸通過葉片並且延伸到輪轂104中，以便將光發射到光纖中的一個或多個光源也可定位在所述輪轂中。類似地，同一光纖430-433或其他光纖可用於將由光學接收器501接收的光發送到定位在輪轂104中的光學檢測器(光電二極體、分光計、或類似的光電檢測器)。從而，光學風檢測器500可構造成使得其不包含金屬或導電部分，因為光束髮生器450和光學接收器501僅包含光學部件，以及光學風檢測器500和輪轂104之間的連接可僅使用光纖進行。光學風檢測器500還包括光學接收器501，所述光學接收器能測量來自空氣傳播顆粒物504的散射光503。光學風檢測器500可以可選地包括處理器502，用於處理來自光學接收器501的測量，以便確定相對風向221以及有可能用於確定風速。處理器502可以是配置成接收來自光學接收器501的模擬值或數字值的計算機。
[0062]儘管本發明已在附圖和在前描述中詳細展示和描述，但是這樣的展示和描述應被理解為展示性的或示例性的而非限制性的；本發明不限於所公開的實施方式。所公開的實施方式的其他變化能由本領域中的技術人員根據對附圖、公開、以及所附權利要求的學習而實施要求保護的本發明來理解並且實現。在權利要求中，術語「包括」並不排除其他元件或步驟，以及不定冠詞「一」或一個」並不排除複數個。單一處理器或其他單元可滿足權利要求中引用的數個物品的功能。特定測量在互相不同的從屬權利要求中被引用的事實並不意味著這些測量的組合不能被有利地使用。權利要求中的任何附圖標記不應被理解為對範圍的限制。
【權利要求】
1.一種用於風力潤輪發電機(100)的光學風檢測器(500),用於確定相對於風力潤輪發電機轉子葉片上的位置的相對風向(221)，所述檢測器包括: -光束髮生器(450)，其包括輸出部分(150)，所述輸出部分能從葉片上的位置沿第一和第二不同方向(201-204)輸出光， -光學接收器(501)，其能測量第一光學量和第二光學量，所述第一光學量根據測量到的源自第一方向的光學散射光(503)來確定，所述第二光學量根據測量到的源自第二方向的光學散射光(503)來確定。
2.根據權利要求1所述的光學風檢測器，其中第一光學量被確定為測量到的源自第一方向的光學散射光的脈衝時長和/或脈衝數量，並且，第二光學量被確定為測量到的源自第二方向的光學散射光的脈衝時長和/或脈衝數量。
3.根據權利要求1所述的光學風檢測器，其中輸出部分包括光學散射元件(421)，所述光學散射元件配置成接收具有給定光譜的輸入光，並且配置成將被接收的光輸出為沿第一方向的具有第一波長的光和沿第二方向的具有第二波長的光。
4.根據權利要求3所述的光學風檢測器，其中光譜包括第一和第二波長。
5.根據權利要求4所述的光學風檢測器，其中光譜隨時間變化，以使得第一和第二波長在不同時間出現在光譜中。
6.根據權利要求1所述的光學風檢測器，其中輸出部分包括第一和第二光纖(431-433),所述第一和第二光纖設置成沿第一和第二方向輸出光。
7.根據權利要求6所述的光學風檢測器,其中在第一和第二光纖中的光發送是多路復用的，以使得沿第一和第二方向的輸出光在不同時間產生。
8.根據權利要求1所述的光學風檢測器，其還包括處理器(502)，所述處理器配置成通過分析第一和第二光學量來確定相對風向。
9.根據權利要求8所述的光學風檢測器，其中分析包括確定在一段時間內第一和第二量中的哪個包括最長脈衝時長和/或最低脈衝數量。
10.根據權利要求8所述的光學風檢測器，其中分析包括內插或外推針對第一和第二不同方向的第一和第二光學量的值，以便確定相對風向的方向。
11.根據權利要求8所述的光學風檢測器，其中處理器還配置成根據相對風向和風力渦輪機轉子(105)轉速來確定風速。
12.根據權利要求8所述的光學風檢測器，其中處理器還配置成確定針對不同轉子角位置的相對風向。
13.一種風力渦輪機(100)，其包括根據權利要求1所述的光學風檢測器。
14.根據權利要求13所述的風力渦輪機，其中輸出部分安裝在葉片位置處。
15.—種用於確定相對於風力潤輪發電機轉子(100)葉片上的位置的相對風向(211)的方法，所述方法包括: -通過使用光束髮生器(450)來從葉片上的位置沿第一和第二不同方向(201-204)輸出光， -根據測量到的源自第一方向的光學散射光來確定第一光學量，以及 -根據測量到的源自第二方向的光學散射光來確定第二光學量。
【文檔編號】G01P13/02GK104040360SQ201280066390
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年12月7日 優先權日:2011年12月8日
【發明者】I·S·奧勒森 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司