CN101389967A - 确定风轮机经受的风速和风向的方法和装置 - Google Patents

Abstract

确定风轮机经受的风速和风向的一种装置和方法。所述装置包括固定在所述风轮机的所述转子上的至少一个传感器、测量所述风轮机的所述转子的角位置的一个角度传感器、以及一个电路，所述电路将所述至少一个传感器的输出和所述角度传感器的输出之间的关系转换成所述风轮机经受的风速和风向。根据本发明，传感装置可以测量三维的风向和风速。此外，将传感器直接安装在风轮机的转子上导致安装简单且牢固。将传感器直接安装在转子上还消除了来自风轮机的转子和吊舱的湍流，使之不影响传感器。

Description

确定风轮机经受的风速和风向的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于确定风轮机经受的风速和风向的装置和方法。

背景技术

风轮机的动力输出以及由风施加给风轮机上的负载很大程度上依赖于风轮机相对于风的定向。因此在大部分风轮机上具有可调整风轮机的定向的装置，从而可以获得最佳的定向。此外，在大部分风轮机上具有允许调整风轮机的装置，例如通过根据风速来改变叶片的迎角。

为最优调整风轮机，需要知道风速和风向。通过更优地调整风轮机，可增加风轮机的动力输出并且降低风轮机上的负载。

此外，风速和风向的精确测量允许精确确定风轮机的动力性能。风轮机的精确的动力性能数据对于风轮机的适当调整和监测来讲是非常重要的。

现有技术描述

在现有技术中，用于测量风速和风向的最通常的方案是在风轮机的吊舱顶部设置一个风杯风速计和风向标。这个方法的一个问题在于风的测量是在转子后面。转子引入了湍流，因此风传感器测量的风将与转子前面的风不同。此外，如果风以一定角度吹来，或者水平或者竖直，风轮机的吊舱引入了旋涡和边界层效应，这会严重影响风传感器。

用于确定动力性能的一个方案是在距风轮机一定距离处设置具有风速和风向传感器的桅杆。典型地，这种桅杆设置在距风轮机2-3个转子直径的距离处。这在桅杆位置和在风轮机位置风相对相同的区域很好地起作用，很好的例子是平坦的陆地和离岸风场。然而，在很多地方情况并不是这样。一个例子是风轮机设置在山上。在这种情况下，风在风传感器处与在风轮机处是不同的，并且必须找到这两个位置之间的关系。这是非常昂贵的，因为另一个桅杆必须竖立在风轮机位置处。

另一个通常的选择是将风传感器设置在一个轴上，这个轴在风轮机前面与转子的旋转轴线共轴地延伸。这使得位于风轮机前面的风传感器远离转子或风轮机主体所造成的湍流。然而，因为转子旋转并且风传感器需要保持静止，在转子内需要建立一个复杂的机械系统以允许转子围绕保持风传感器的固定轴旋转。

也可以获得能够直接测量经过每个叶片的风速的其他更先进的传感系统。US6361275中描述了这种系统。在这个系统中，每个叶片上安装一个风速计。如果转子的旋转速度以及叶片的迎角已知，在叶片上的实际风速就能够确定。

GB2067247中提出了另一种先进的传感系统。该发明提出的这个系统由设置在叶片轮廓的尖端附近的两个压力传感器构成。如果转子的旋转速度以及叶片的迎角已知，那么在叶片上的风速就能够根据压力读数来确定。此外，这个系统描述了将风轮机定向直到它直接面对风的方法。这是通过比较转子在90°和在270°时的压力读数来实现的。如果压力相同，那么转子就直接面对风。如果不同，那么转子位置就被调整，直到差值为0。

另一个文件EP1288494公开了一种平面风速和风向传感器，其具有彼此以一定角度安装在一个平面上的两个皮托管。这允许传感器仅仅在一个平面上确定风速和风向。EP1288494还提到传感器可以安装在风轮机的转子上，并且皮托管的正弦输出可以被用来定向风轮机。然而并没有具体描述正弦输出如何用来定向风轮机。假设使用了与GB2067247相类似的方法。

然而，上面描述的这三个系统没有提供测量在风轮机转子的中心经受的平均风速和风向的直接方法。转子中心典型地是用作动力曲线的风速的参考位置。此外，上面介绍的三个系统中的两个依赖安装在叶片中或安装在叶片上的传感器。安装在叶片中或安装在叶片上的传感器都由于其位置而很难安装和维护。安装在叶片上的传感器还经受这样的问题，即叶片上方的气流速度在很大程度上是叶片速度的函数。典型地，由于叶片速度产生的气流速度将高于由于风产生的气流速度。

而且，上面描述的三个系统没有给出任何关于风的气流倾角的信息。气流倾角是风在一个垂直平面上产生的相对于风轮机的旋转轴线的角度。通过获知气流倾角，风轮机上的负载就能够被更精确地确定。

发明内容

本发明的第一个方面是提供一种用于风轮机的风速和风向传感装置，所述装置可以被设置在转子前面且刚性安装在所述转子上。

本发明的第二个方面是提供一种用于风轮机的风速和风向传感装置和方法，所述装置和方法可以测量在三维空间中的风速和风向。

本发明的第三个方面是提供一种用于风轮机的风速和风向传感方法，所述方法可以通过一个简单的、坚固的且成本低的装置来测量风速和风向。

本发明的第四个方面是提供一种用于风轮机的风速和风向传感装置，所述装置可以没有移动部件而制成。

本发明的第五个方面是提供一种用于风轮机的风速和风向传感方法，所述方法在某些实施例中要求低的计算能力。

本发明实现上面提到的方面的新颖且独特的方式是提出如开头段落中提到的一种装置，所述装置包括固定在所述风轮机的所述转子上的至少一个传感器、测量所述风轮机的所述转子的角位置的角度传感器、以及一个电路，所述电路将所述至少一个传感器的输出和所述角度传感器的输出之间的关系转换成所述风轮机经受的风速和风向。

在这个方法中，提供了一种传感装置，其允许传感器设置在转子前面，藉此防止所述转子和吊舱产生的空气湍流影响所述传感器的输出。此外，因为所述传感器直接固定在所述转子上，因而所述传感器的安装非常简单。这使得传感装置的成本和维护费用很低。

根据使用的传感器的类型，可以获得没有移动部件的传感装置的很多可能的实施例。此外，某些类型的传感器特别适于恶劣的温度和天气。这样，传感系统就能够制得非常坚固。

因为传感器与转子一起旋转，传感器随着其旋转而掠过(scan)风，并且因此能够确定在三维空间中的风速和风向。

在一个优选实施例中，至少一个传感器可以安装在风轮机的旋转体或轮毂上，或者安装在固定于所述风轮机的转子的主体上。这样，如果旋转体或主体周围的气流的特性已知，这些特性就可以用于帮助确定风速和风向。

传感器的一个优选选择是空速传感器。像声速传感器、风杯风速计等等很多类型的空速传感器都可以使用，它们坚固且成本低。另一个选择是压力传感器，所述压力传感器的输出代表了在所述旋转体或所述主体上的一个点处的表面压力。所述表面压力与流过表面的气流的速度相关，且也可以用于确定风速和风向。

为了使计算简单，两个传感器可以被固定在转子上，这两个传感器关于转子的旋转轴线对称地设置，且安装在包含该旋转轴线的一个平面上。这样，在所述转子的任何旋转角度，所述系统可以得到风相对于所述平面中的所述旋转轴线的角度。通过记录两个传感器在两个不同角位置的输出，所述两个角位置彼此间隔90°，从而可以在三维中明确风向。

而且，通过将三个或更多个传感器固定在所述转子上，所述三个或更多个传感器以等距角围绕所述转子的旋转轴线设置，三维的风向和风速可以通过在转子的任何角位置的单次记录而确定。

本发明还提供了根据开始段落的方法，所述方法包括以下步骤：围绕所述风轮机的转子的旋转轴线旋转至少一个传感器，记录所述至少一个传感器在至少一个角位置的输出，以及使用所述至少一个记录和采取所述记录处的所述至少一个角位置之间的关系来计算风速和风向。这样就提供了一种简单且要求低计算能力的方法。

许多不同的传感装置可以用于上面的方法。应该理解，本方法并不限于这个文件中所描述的装置。应该理解，传感器的数量和采取记录处的角位置的数量可以改变。例如，在三个传感器等距间隔布置在旋转体表面上的情况下，可以通过一个读数来确定风速和风向。在只有一个传感器安装在旋转体表面上的情况下，可以使用多个读数来充分地限定三维空间中的风速和风向。

在某些情况下，所述至少一个传感器可以安装在固定于所述风轮机的转子上的一个主体上，并且所述主体周围的气流的流动特性可以被用于计算风速和风向。所述主体例如可以是转子的旋转体。因为考虑所述主体周围的气流的非线性影响，因而使用这种主体周围的气流的流动特性允许传感器安装得非常接近所述主体。

在本发明方法的另一个实施例中，所述至少一个传感器的输出可以在转子旋转过程中被记录在多个点，并且所述记录和采取所述记录处的角位置之间的正弦关系被用来确定风速和风向。使用统计，在风速和风向中的波动可以被过滤掉，并且可以得到平均风速和风向。

在本发明方法的再一个实施例中，上面描述的正弦关系的相值和极值可以被用来确定风速和风向。使用正弦关系的相值和极值导致了一种简单的方法，所述方法需要低的计算能力。

本领域技术人员应该显然知道，上面描述的实施例仅仅是很多装置和方法中的一些，这些方法和装置可以在本发明的范围内实施。

附图说明

本发明将在下面更详细地描述，其中进一步的有优势的特征和实施例将参考附图来描述，图中：

图1是一个示意性透视图，示出了装备有根据本发明的传感系统的第一实施例的一个风轮机；

图2示出了第一实施例的详细透视图；

图3示出了第一实施例的侧视图；

图4示出了第一实施例的详细侧视图；

图5示出了球体周围的气流的理论流线；

图6示出了在如图5所限定的不同角度φ测量的球体周围的气流的理论切线速度；

图7示出了用于描述在根据本发明的第一方法中的风向的角度的定义，其中a)示出了典型地从上面看的旋转体，b)示出了典型地从前面看的旋转体，c)示出了典型地从侧面看的旋转体；

图8示出了通过安装在风轮机的旋转体的相对侧的风速传感器测量的风的角度和风速的比率；

图9是一个示意性透视图，示出了装备有根据本发明的传感系统的第二实施例的一个风轮机；

图10示出了第二实施例的详细透视图；

图11示出了在球体表面的不同点的气压和在球体足够远处的气压之间的理论压差；

图12示出了在根据本发明的第二方法中用来限定风向的角度；

图13示出了通过在风轮机的旋转体的相对侧采取的压力传感器读数所测量的气压差和风的角度之间的比率的关系；

图14是一个示意性透视图，示出了装备有根据本发明的传感系统的第三实施例的一个风轮机；

图15示出了第三实施例的详细视图；

图16是一个示意性透视图，示出了装备有根据本发明的传感系统的第四实施例的一个风轮机；

图17示出了第四实施例的详细视图；

图18示出了根据本发明的传感系统的第五实施例的侧视图；

图19示出了第五实施例的详细视图；

具体实施方式

图1-4示出了根据本发明的一个装置的第一实施例1。在这个例子中，两个一维(1D)空速传感器2在包括旋转体的旋转轴线5的平面中安装在风轮机4的旋转体3上。正如本领域技术人员所知的，转子6典型地包括两个或多个叶片7，它们通过轮毂连接在一起。旋转体3连接到转子的中心，以使轮毂周围的气流成流线型。轮毂设置在旋转体内部，并且因此在图104中不能看见。

旋转体的前半部分是球形以保证旋转体周围的气流容易被描述且光滑。两个一维传感器2在传感器所在的平面中并且在安装传感器处沿垂直于球形旋转体的表面的方向测量旋转体的边界层上方的气流速度分量。

在这个例子中，使用了一维声速传感器。每个声速传感器包括两个传感头8a、8b。声速传感器的操作原理是测量声波在两个传感头8a、8b之间传播所需的时间。声波从第一传感头8a传送到第二传感头8b。第二传感头8b接收声波，并且第二声波从第二传感头8b传送到第一传感头8a。在尖端之间的方向上的气流速度可以通过两个声波在两个传感头之间的距离传播所需的时间差来确定。这些传感器没有移动部件，并且因此非常坚固。它们还可以被加热以防止在冷天气时冰的集结。

然而，不仅仅是一维传感器，很多其他类型的传感器也可以用于这个应用中。这些例子(未示出)是皮托管、Savonious转子、螺旋桨式风速计、风杯风速计等等。这些传感器，比如一维声速传感器，用于旋转体旋转的自动补偿，其他传感器，比如杯风速计，也受到旋转体旋转的影响。在这些情况下，有可能通过测量转子随时间的位置而确定旋转体的旋转速度，从而补偿旋转体的旋转。

因为在当前的例子中传感器是直接安装在旋转体上，它们可以安装成使得能够从旋转体内部接近。很多风轮机的旋转体非常大使得维修人员可以爬进旋转体内。传感器因此可以从旋转体内部被安装，使得传感器主体位于旋转体内侧上并且传感元件通过旋转体表面上的一个或多个小孔突出。在一个一维传感器的例子中，旋转体表面上钻有两个小孔，声速探针通过这两个孔伸出。具有信号调节和电子元件的声速传感器主体螺栓连接到旋转体内部。可以以此方式安装很多其他传感器，比如Savonious转子、两叶片螺旋桨、皮托管等等。

在当前例子中，可以使用与转子相对于地平线的位置的知识相结合的气流速度在球形物体周围的两个相反方向上如何改变的知识通过两个一维传感器来确定风速和风向。图5示出了球形体9周围的理论流动的图示。根据无旋流理论，球体周围在某一点10处的气流的切线流速可以写成：

$v_t=v_{\∞}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)(1+\frac{R^3}{2r^3})---\left(1\right)$

其中v_∞是在距旋转体足够距离使得风不受旋转体影响处的风速，φ是在从球体中心到某点(point of interest)10的矢量和风向矢量之间形成的角度，R是球体的半径，r是从球体中心到某点的距离。图6示出了对于10米/秒的风速和1.1的r/R比率在不同的φ值处的切线流速。

为了限定风向，使用了两个角度α_h和α_v，如图7所示。第一角度α_h限定了风的矢量W在XZ平面的投影的角度。这个平面典型的是水平面。这个角度被限定为围绕y轴线逆时针为正的。第二角度α_v限定了风的矢量W在XY平面的投影的角度。这个平面典型的是竖直面。正的角度被限定为围绕z轴线逆时针方向。

利用当两个一维传感器2位于XZ平面时通过它们测量的风速比率可以获得第一角度α_h。利用当两个一维传感器2位于XY平面时通过它们测量的风速比率可以获得第二角度α_v。利用α_v作为一个例子以及上面提出的用于切线风速的公式(1)，我们可以计算出这个比率：

$F\left({\mathrm{\α}}_v\right)=\frac{v_1(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_v)}{v_2(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\α}}_v)}=\frac{v_{\∞}\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_v)(1+\frac{R^3}{2r^3})}{v_{\∞}\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\α}}_v)(1+\frac{R^3}{2r^3})}=\frac{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_v)}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\α}}_v)}---\left(2\right)$

角度θ是传感器相对于旋转体3的旋转轴线5设置的角度，见图4。在当前例子中，θ是30°常量。可以看出，如公式(2)所示的比率F仅仅是α_v的函数而不是风速的函数。因此，通过测量这个比率并且使用上面关系的反函数，可以得到角度α_v。图8示出了上面关系的反函数。在这个例子中，可以得到上面关系的闭合形式的解，见公式(3)，然而，对于更复杂的旋转体几何形状，可能不会得到闭合形式的解。

${\mathrm{\α}}_v=\arctan \left(\frac{1-F\left({\mathrm{\α}}_v\right)}{1+F\left({\mathrm{\α}}_v\right)}\tan \mathrm{\θ}\right)---\left(3\right)$

实际风速可以通过例如将第一测量流速v₁和计算出的角度α_v输入公式(1)，并且解出v_∞获得。公式(4)示出了求解v_∞的等式1。

$v_{\∞}=\frac{v_1}{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_v)(1+\frac{1}{2}{\left(\frac{R}{r}\right)}^3)}---\left(4\right)$

上面提出的计算可以在一些类型的电路中实现。这个电路例如是微控制器或者微处理器(未示出)。电路在另一个实施例中是模拟电路，其输出与风速和风向成比例的模拟信号。电路可以安装在旋转体自身上或者安装在吊舱11中。信号可以通过已知的多种数据传递形式之一从旋转体传递到吊舱。在现代风轮机中，已经有很多信号，它们从旋转体传递到吊舱。

在上面提到的例子中，两个空速传感器的输出被记录在两个角位置。第一个位置是空速传感器位于水平平面时，第二个位置是空速传感器位于竖直平面时。空速传感器的角位置可以以多种方式被测量。一个例子是使用角度传感器(未示出)，其连续测量转子6的角位置。因为空速传感器2固定在转子上，转子的角位置和空速传感器的角位置彼此相对固定。当角度传感器测量转子的预期角位置时，空速传感器的输出因此可以被记录。在某些情况下可以使用多个角度传感器，用以在一个或多个角度传感器失效时提供备用。

另一个例子(未示出)是具有一些类型的安装在风轮机转子上的触发器，每次转子到达某一位置时其通过风速传感器触发测量。这个触发器例如可以是安装在转子上的霍耳效应传感器，每次霍耳效应传感器经过设置在风轮机吊舱上的磁体时，其给出一个脉冲。四个磁体可以彼此间隔90°地嵌入吊舱中。这个系统还可以描述成一种角度传感器，因为它在某些角位置触发。

图9-10示出了根据本发明的装置的第二实施例12。在这个实施例中，来自安装在风轮机4的旋转体3的表面上的压力传感器13的压力读数被用来确定风轮机所经受的风速和风向。在这个实施例中，只使用一个压差传感器13，然而，对于本领域技术人员来讲显而易见的是，可以使用额外的压力传感器以增加系统的性能。作为一个例子，增加传感器数量将增加测量的解析率和带宽。

如在前面的例子中一样，图9-10所示的风轮机具有旋转体，其具有一个球形前表面。为了得到压力分布，我们使用在球体周围的边界层内的流体的理论压力分布，正如无旋流理论给出的那样。压力分布如下给出：

$C_p=1-\frac{9}{4}{\sin }^2\mathrm{\φ}---\left(5\right)$

其中，φ是描述自由流的流体的方向的矢量与球体中心和表面上的某点之间的矢量之间的角度。这与图5中限定的角度相同。C_p是压力系数，并且限定为：

$C_p=\frac{p-p_{\∞}}{\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρv}}_{\∞}}^2}---\left(6\right)$

其中，ρ是流体密度，p是在球体表面上的某点的压力，p_∞和v_∞分别是在位于旋转体影响之外的点的压力和流速，例如在安装于旋转体前面的一个杆14上。如果流体的压力和温度已知，流体的密度ρ可以查表确定。图11示出了在10米/秒的风速下作为φ的一个函数的理论压差(p-p_∞)。

在图9和图10所示的实施例中，第一压力传感器13以相对于旋转体的旋转轴线成30°的角度安装在旋转体的球形表面上。第二压力传感器15安装在杆14上，杆14在转子的轴线5上从旋转体延伸。通过在杆中的孔15测量的平均压力给出了大气压p_∞以及旋转体上的压力传感器的压差p-p_∞。杆在其被环16围绕的基部还具有一个温度传感器(未示出)，环是为了保护温度传感器免受阳光照射。随着旋转体的旋转，压力传感器13、15与旋转体一起旋转。这导致第一压力传感器13“掠过”旋转体表面上的压力。根据风和旋转体旋转轴线之间的角度，压力读数将改变。在风的方向和旋转轴线相同的特殊情况下，压力读数将不变。然而，只要风的方向和旋转体的旋转轴线稍微不同，压力传感器的输出将平均具有一个正弦形，这个正弦关系可以用于获得风速度和方向。读者应该很清楚，由于风的扰动，传感器13的实际输出将不会是完美的正弦形。然而，使用一些统计工具和/或采取一些随时间变化的测量，传感器的输出可以与正弦关系相匹配。此外，对于具有不同形状的旋转体，能够想象到传感器的输出不是完美的正弦形。

在这个第二例子中，不同的坐标系可以用于限定风向。这个坐标系在图12中示出。第一角度β限定了围绕旋转体的旋转轴线旋转的平面A的角度。平面A是风向矢量所在的平面。这个平面随着风向的改变而围绕旋转体的旋转轴线旋转。第二角度α限定了在平面A中风向矢量和旋转体的旋转轴线之间的角度。

角度β可以通过找到由压力传感器测量到的最大气压所处的角度而得到。当传感器位于与风向矢量相同的平面时将获得最大气压，也就是说在图12所描述的平面A上。因此，角度β可以通过测量旋转体的角度并且记录发生最大压力处的角度而被容易地获得。

如在前面的例子中，两个传感器读数之间的比率可以被用来确定α。在这个例子中，使用了最小压力读数和最大压力读数之间的比率。对于当前例子中的旋转体来讲，最小压力读数出现在距最大压力读数180°的位置。如在前面的例子中，两个传感器能够彼此间隔180°地安装在旋转体上，并且来自两个传感器的读数记录在一个角位置。然而，在这个例子中，只有一个传感器被使用。因此，一旦采取了最大压力读数，传感器就被进一步旋转180°，并且最小压力读数被记录在这个第二位置。为了考虑到由于风中的波动使得风速和风向在两个压力读数的时间上不相同，压力读数应该采取多个旋转，以平衡风中的波动。

通过计算比率Pmin/Pmax，可以确定α。图13示出了对于在这个例子中使用的理论压力分布以及压力传感器设置在30°的这个比率和α之间的关系。如果使用不同类型的旋转体或者如果使用不同的压力传感器位置，这个关系就需要理论或者经验确定。

一旦α已知，它就可以代入压力分布公式中且用于解出风速。等式(7)示出了这个关系。

$v_{\∞}=\sqrt{\frac{2(p_{\max }-p_{\∞})}{\mathrm{\ρ}(1-\frac{9}{4}{\sin }^2(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}))}}---\left(7\right)$

根据这个第二例子的方法也可以被用于在第一例子中的传感器。

如果使用两个或多个传感器，传感器可以使用统计工具来被校准。例如，考虑两个传感器S1和S2关于旋转体的旋转轴线对称地安装在一个平面上的情况。这与第一例子一样。由于这种布置，对于每半个旋转，或者180°，旋转体使得两个传感器S1和S2交换位置。这意味着如果风速和风向不变，当旋转体在0°时来自S1的读数应该与当旋转体在180°时来自S2的读数相同。如果如上面描述的两个读数不同，那么传感器应该被校准使得读数相同。使用统计工具，有可能使用来自传感器的读数，即使风速和风向不是恒定的。

在上面提出的两个例子中，传感器直接安装在球形旋转体上。然而，对于旋转体来讲不是必须具有球形。其他形状也是可以接受的，比如椭球形、抛物线形等等。对于在这个实施例中提出的操作方法，旋转体需要被成形，使得旋转体表面周围的气流可以相对更好地被描述且流畅。

在旋转体周围的空气的气流分布不容易被描述或者不是已知的情况下，或者在旋转体是非光滑形状时，一个已经建立的主体可以刚性连接于转子。一个例子在图14-15中示出，其中示出了根据本发明的装置的第三实施例17。在图14-15中，一个球形体18通过轴20直接与转子轮毂19相连。一个或多个压力传感器21或者空速传感器然后可以设置在这个已经建立的主体上，并且这个已经建立的主体上面气流的分布用于确定风速和风向。

为了阐释目的，所示的例子利用了球体周围的理论气流。在这些例子中使用的理论气流源自于无旋流理论。因为在真实世界中的旋转体上的气流可以与理论气流不同，如果需要更加精确，那么可以使用实验测量的气流。更加精确的气流也可以通过更先进的理论或者计算流体动力(CFD)软件来确定，其中叶片根部、吊舱和塔的微小影响也被考虑进去了。

提出的这些例子利用与旋转体的旋转轴线成30°设置的传感器。传感器设置的角度对传感装置的解析率以及其能够测量的风向的范围具有影响。解析率是由于气流的非线性本质而被影响的。考虑基于压力的解的情况，可以说最高的解析率是在压力分布的梯度最高时达到的。在球体周围的压力分布中，如图11所示，梯度在大约45°是高的。因此，为了具有最佳解析率，传感器应该以一个角度设置，这个角度将传感器保持在接近45°的φ角。

通过风传感装置测量的风向的范围也依赖于传感器的布置。在超过大约80°的φ角，根据风的速度和其他特性，气流可以从旋转体表面分离，使得传感器的测量不可靠。通过将传感器设置在30°，风可以在相对于旋转体的旋转轴线±50°的角度进入，而角度φ没有超过80°。将传感器设置在30°到50°的范围内是好的折衷，然而，其他角度也是可能的。

图16和17示出了根据本发明的装置的第四实施例22。在这个例子中，两个螺旋桨风速计23设置在刚性连接于旋转体3前面的杆24上。两个传感器与杆的轴线成30°。杆将传感器设置在受旋转体的形状影响的气流外。随着旋转体的旋转，杆和螺旋桨同旋转体一起旋转。因为传感器的旋转轴线和风矢量之间的角度将改变，螺旋桨风速计将因此随着其旋转而输出一个几乎正弦的信号。来自螺旋桨的测量连同转子位置的测量可以被用来获得风速和风向。在这个例子中，因为传感器在没有来自旋转体的显著影响的一个位置暴露在风中，知道旋转体周围的气流的压力或者速度分布的特性并不重要。

如果替代螺旋桨风速计，随着相对于传感器的角度的变化而改变输出的声速或者其他类型的风速传感器也可以同转子位置测量一起使用。

在这个第四实施例中，为了利用在旋转过程中随着入流角度的改变在传感器输出中的改变，传感器相对于转子轴线具有一个角度设置以确定风向。这个原理与较早描述的原理一样，但是不同在于，在这个例子中，在旋转过程中随着入流角度的改变在传感器输出中的改变不是由于在旋转体上面的气流速度的改变，而是由于传感器改变了相对于风的方向。

图18和19示出了根据本发明的第五实施例25。这个实施例已经通过实验被开发，实验表明，通过在与切线气流成一定角度地测量旋转体上方的气流速度，传感器的输出可以不易受到传感器安装误差以及旋转体上生成的冰的影响。在图1-8所示的实施例中，传感器被布置以测量旋转体上方气流的切线流速。通过模拟旋转体上生成的冰的影响，可以看出生成的冰在切线流速的测量上具有相当大的影响。然而，通过使用同样的模拟并在传感器位置测量与旋转体的切线矢量成一定角度的气流速度，可以看出，一定的角度和一定的传感器位置对于生成的冰以及安装误差的影响不太敏感。

图18示出了相对于转子的旋转轴线5成θ＝±45°的角度安装在旋转体3上的两个传感器26。图19示出了其中一个传感器26的详细视图。传感器26被布置以测量在传感器位置处的相对于旋转体上方流过的切线气流成β＝±26.3°的角度处的气流速度。在图19中切线矢量以字母T表示，径向矢量以字母R表示，测量矢量以字母M表示。这个例子中使用的角度仅仅用于示例，不应该将本发明限制在这些具体数值上。

在这个例子中的传感器26包括容纳电子元件和信号处理装置的传感器主体27，弯曲杆28，以及与弯曲杆28相连的两个声速传感头29、30。弯曲杆28以一定方式布置，使得声速传感头设置在如图19所示的矢量M上。传感器主体27安装在旋转体3内部，且弯曲杆28和声速传感头29、30穿过旋转体3中的孔31伸出。通过这种方式，通过将传感器主体27从旋转体分离并且将弯曲杆28和声速传感头29、30穿过旋转体3中的孔31缩回，传感组件可以容易地在旋转体内部被调换。

在这个实施例中，旋转体3被分成两个部分，一个安装部分32和一个传感部分33。安装部分32刚性连接于风轮机的转子6。传感器26与传感部分32相连。传感部分33可以从安装部分32中分离并且安装在用于校准和测试的风洞中，当传感部分33被校准时，其可以被安装回安装部分32上。对于不可能进入旋转体内部的较小的风轮机来讲，这个方案特别有用，因为传感部分的调换应该比单个的传感器的调换更快更容易。

图19中所示的传感器26的布置的额外的优势在于，上游声速传感器30不干扰通过传感器的气流。这导致旋转体表面上方的气流读数更精确。

正如读者显而易见可知的，如果风从风轮机后面吹来，那么根据本发明的方法将不起作用。在这种情况下，一个传统的风向标对于将风轮机定向在大致的风向上是有用的。一旦风轮机相对地面对风中且转子开始旋转，根据本发明的风向和速度确定装置就能够接替风向标，并且精度更高地测量风的方向和速度。

对于本发明的所有实施例，在旋转体或者轮毂处测量的风速可以与不受风轮机转子影响的自由风相关联。这可以通过设置在距风轮机足够距离处的桅杆(未示出)以及在轮毂高度安装的一个风速传感器来实现。这个关联可以在整个风速范围内以及最终的不同叶片调节控制策略中确定。

此外，如本领域技术人员所显而易见的，上面的例子不是穷举的。将传感器设置在风轮机的转子或者旋转体上具有多种不同的方式，这些方式利用上面例子中使用的技术。还有很多不同的数学方法来将安装在风轮机的转子或者旋转体上的传感器获得的测量结果转换成风速和风向。

Claims (13)

1.一种用于确定风轮机(4)经受的风速和风向的装置(1；12；17；22；25)，包括：

至少一个传感器(2；13，15；21；23；26)，其固定在所述风轮机(4)的所述转子(6；19)上，其特征在于，

测量所述风轮机(4)的所述转子的角位置的角度传感器，以及

电路，所述电路将所述至少一个传感器(2；13，15；21；23；26)的输出和所述角度传感器的输出之间的关系转换成所述风轮机(4)经受的风速和风向。

2.根据权利要求1所述的装置(1；12；22；25)，其特征在于，所述至少一个传感器(2；13，15；21；23；26)安装在所述风轮机(4)的所述旋转体(3)或轮毂(19)上，或者安装在固定于所述风轮机(4)的所述转子(3；19)的主体(18)上。

3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述至少一个传感器是空速传感器(2)。

4.根据权利要求2所述的装置(12；17；22)，其特征在于，所述至少一个传感器是压力传感器(13，15；21；23)，所述压力传感器(13，15；21；23)的输出表示所述旋转体(3)或者所述主体(18)上的一点处的表面压力。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置(12)，其特征在于，两个传感器(13，15)固定在所述转子(6)上，所述两个传感器(13，15)关于所述转子(6)的旋转轴线(5)对称地设置，并且安装在包含所述旋转轴线(5)的平面上。

6.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，至少三个传感器固定在所述转子上，且以等距角围绕所述转子(6)的所述旋转轴线(5)设置。

7.一种用于确定风轮机(4)经受的风速和风向的方法，包括以下步骤：

围绕所述风轮机(4)的所述转子(6)的所述旋转轴线(5)旋转所述至少一个传感器(2；13，15；21；23；26)，

在至少一个角位置记录所述至少一个传感器(2；13，15；21；23；26)的输出，以及

使用所述至少一个记录和采取所述记录处的所述至少一个角位置之间的关系来计算风速和风向。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一个传感器(2；13，15；21；23；26)安装在固定于所述风轮机的所述转子(6；19)上的主体(3；18)上，并且所述主体(3；18)周围的气流的流动特征用于确定风速和风向。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在所述转子(6；19)旋转期间所述至少一个传感器(2；13，15；21；23；26)的输出被记录在多个点，并且所述记录和采取所述记录处的所述角位置之间的关系被用于确定风速和风向。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述关系的相值和极值被用于确定所述风速和风向。

11.根据权利要求7-10任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个传感器是固定在所述风轮机(4)的所述转子(6)上的至少一个空速传感器(2)。

12.根据权利要求7-10任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个传感器是安装在固定于所述风轮机(4)的所述转子(6；19)的旋转主体(3；18)上的至少一个压力传感器(13，15；21；23)。

13.使用根据权利要求1-6任一项所述的装置用于确定风轮机(4)经受的风速和风向的用途。

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