CN101676555B - 将元件对准风向的方法和确定元件与风向未对准的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了将元件(2)对准风向的方法和确定元件与风向未对准的传感器。该元件(2)包括传感器(7、8、9、10、11、12、23)，该传感器定位成使得传感器(7、8、9、10、11、12、23)中的至少一部分暴露在风中。该方法包括步骤：测量取决于风引起的作用在传感器(7、8、9、10、11、12、23)上的力的信号，和依据测得的信号旋转元件(2)。并且，描述了一种用于确定元件(2)相对于风向(13)未对准的传感器(7、8、9、10、11、12、23)。该传感器(7、8、9、10、11、12、23)包括至少一个扁平件(15、15A、15B、16)和至少一个用于测量作用在所述扁平件(15、15A、15B、16)上的力的工具或设备(17)。

Description

将元件对准风向的方法和确定元件与风向未对准的传感器
技术领域
本发明涉及一种将元件与风向对准的方法，并涉及一种用于确定元件相对于风向未对准的传感器。本发明还涉及一种风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机，例如为了避免高的结构负荷并为了产生最佳的功率，将水平轴线的风力涡轮机对准特定风向是极其重要的。通常，风向是通过使用风向标或使用声波风速传感器来测量的。
发明内容
本发明的目标是提供用于将元件对准至风向的有益的方法。本发明的第二目标是提供用于确定元件相对于风向未对准的有益的传感器。本发明的第三目标是提供有益的风力涡轮机。
通过权利要求1所要求保护的将元件对准风向的方法解决第一目标。通过权利要求10所要求保护的用于确定元件相对于风向未对准的传感器解决第二目标。通过权利要求14所要求保护的风力涡轮机解决第三目标。从属权利要求限定了本发明的进一步发展。
本发明的将元件对准风向的方法涉及包括传感器的元件。该传感器定位成使得传感器的至少一部分暴露在风中。本发明的方法包括测量取决于风引起的作用在传感器上的力的信号的步骤，和包括依据测得的信号旋转元件的步骤。本发明的方法的优点是可在固定的元件上进行测量。该方法不提供具有角度的风向测量，而是设计成用于检测未对准。这消除了颤振的不稳定性并提供了鲁棒的传感器。利用对未对准的鲁棒检测，提供了更好的对准并避免了由于未对准而增加的结构负荷。另外，避免了由于未对准产生的功率产出损耗。
有益地，可对测得的信号在时间周期上进行积分。这提供了偏向未对准的鲁棒检测。
通常，可测量到作用在传感器的至少一部分上的力、应力、扭矩或弯矩。例如，可借助力测力计进行测量。例如，该测量计可包括弹簧。另一个例子是采用测量一个或多个元件上的应力的应变仪，其中测得的应力对应于作用在元件上的力。
优选地，该传感器可包括扁平件。该扁平件可包括两个侧面。可以在扁平件的一个或两个侧面上测量信号。特别地，该扁平件可包括平板或对称的空气动力学轮廓。例如，该对称的空气动力学轮廓可为叶片。
优选地，元件旋转成使得测得的信号的范数是极值，例如，最小值或最大值。例如，当元件对准时，如果采用的扁平件的表面的法线定向成平行于风向，那么测得的信号的范数是最小值。可选择地，当元件对准时，如果采用的扁平件的表面的法线定向成垂直于风向，那么测得的信号的范数是最大值。
而且，可通过相对于元件的旋转轴线旋转传感器和/或扁平件来校准传感器。优选地，可在测量取决于作用在传感器上的力的信号之前进行校准。
此外，传感器可包括定向成垂直于元件的旋转轴线的中心线。该传感器还可包括第一扁平件和第二扁平件。第一扁平件和第二扁平件可定位成彼此相距一距离。另外，第一扁平件和第二扁平件可定位成使得第一扁平件与中心线形成角度+α，第二扁平件与中心线形成角度-α。该角度α可为该元件的可接受的未对准角度。在该情况下，只有在两个扁平件上测量到力沿着垂直于中心线和元件的旋转轴线的轴线具有相同的代数符号时，才旋转元件。
该元件为风力涡轮机的一部分，特别地为水平轴线风力涡轮机的一部分。
通常，可通过仅测量扁平件一侧上的应力来提供弯矩。可用弹簧传感器之外的其他传感器或工具测量扁平件(例如平板或对称的空气动力学轮廓)上的力。传感器的旋转是可调整的，以提供传感器的校准。优选地，该传感器的位置在风力涡轮机的机舱顶部上，但也可放在机舱的其他位置上。扁平件，特别是传感器板或外形、可为任意适合的尺寸。而且，如果传感器设计成具有两个扁平件，那么该两个扁平件之间的距离可为任意合适的距离。
用于确定元件相对于风向未对准的本发明的传感器包括至少一个扁平件和用于测量作用在所述扁平件上的力的至少一个工具或设备。特别地，该扁平件可包括平板或对称的空气动力学轮廓。例如，该对称的空气动力学轮廓可为叶片。
有益地，该传感器相对于元件的位置是可调整的。例如，该传感器是可旋转的，以提供传感器的校准。
另外，传感器可包括定向成垂直于元件的旋转轴线的中心线。该传感器还可包括第一扁平件和第二扁平件。第一扁平件和第二扁平件相互相距一定距离设置。另外，第一扁平件和第二扁平件可定位成使得第一扁平件与中心线形成角度+α，且第二扁平件与中心线形成角度-α。该角度α可为该元件(例如风力涡轮轮机)的可接受的未对准角。在这种情况下，只有围绕扁平件和安装板之间的支撑边的力或力矩都为正或都为负(这意味着力矩具有相同的方向)时，偏航致动器才可以激活。
本发明的风力涡轮机包括至少一个前述的本发明传感器。本发明风力涡轮机可特别地包括机舱，并且传感器可位于机舱顶部上。该机舱包括定向成平行于风力涡轮机的旋转轴线的中心线。该传感器可位于机舱的顶部的中心线处。可选择地，该传感器可位于距离该中心线特定距离的位置处。优选地，本发明风力涡轮机可包括偏航致动器。通过偏航致动器，可沿风力涡轮机的竖向轴线旋转风力涡轮机的机舱和转子。
本发明提供检测元件相对于风向未对准的方法和传感器。对固定元件上的力的测量提供了未对准的鲁棒检测。这允许更好的对准并避免了由于未对准引起的结构负荷。另外，避免了由于未对准引起的功率产出损耗，例如风力涡轮机的功率产出损耗。
附图说明
本发明的进一步的特征、特性和优点将在以下结合附图对实施例的描述中变得清楚。所描述的特征单独以及相互结合都是有益的。
图1示意性地示出了风力涡轮机的一部分的俯视图，
图2示意性地示出了本发明的传感器的透视图，
图3示意性地示出了本发明的传感器的另一变体的透视图，
图4示意性地示出了本发明的传感器的另一变体的透视图，
图5示意性地示出了本发明的一种包括两个扁平件的传感器的透视图，
图6示意性地示出了图5所示的本发明的传感器的俯视图。
具体实施方式
现参考图1到图3来描述本发明的第一个实施例。图1示意性地显示了风力涡轮机1的一部分的俯视图。风力涡轮机1包括转子2和机舱5。转子2安装在机舱5上，并且包括轮毂3和多个风力涡轮机转子叶片4。风力涡轮机转子叶片4连接到轮毂3。
至少一个传感器7，8，9定位在机舱5的顶部上。传感器在机舱5的顶部上的不同位置的例子由参考数字7，8，9来表示。机舱5包括中心线6。传感器9位于中心线6上。而且，可将传感器定位于距离中心线6一特定距离处。这正如传感器7和8显示。传感器7靠近转子2定位。传感器8以及传感器9定位于距离转子2几乎最大的距离处。距离转子2尽可能远的定位传感器8，9减少了由转子2引起的湍流对测量的影响。
图2示意性的示出了传感器10的透视图。传感器10包括安装盘14，平板15和用于测量力的工具或设备17。平板15包括水平边19和竖向边20。该平板15在它的水平边19处连接到安装盘14，该水平边19具有支承边的功能。测量力的工具或设备17定位于平板15靠近安装盘14的一侧，这意味着其靠近支承边。
传感器10位于风力涡轮机1的机舱5的顶部。它定位成使得，假如风力涡轮机1的转子2与风向13对准，那么风向13平行于平板15的表面，即意味着其平行于支承边19。假如转子2与风向13不对准，那么风会引起作用在平板15的其中一个表面上的力。该力和/或所导致的应力和/或所引起的弯矩和/或所引起的转矩可依靠测量力17的工具或设备进行测量。
必要时，在测量取决于风引起的作用于平板15上的力的信号之后，机舱5能够依靠测量到的信号绕风力涡轮机1的竖向轴线旋转。优选地，机舱5旋转直到测量到的信号(尤其是测量到的力)，是最小值为止。一般地，仅当平板15与风向13对准时，作用于处于风13中的平板15的侧面上的力才会相等的。对平板15的一侧或两侧上的应力的测量提供平板15中的弯矩的测量。有益地，为了对偏航未对准的鲁棒性确定，在时间周期上对该信号积分。
可选择地，传感器10可定位于机舱5上，这样使得在转子2的对准状态下，风向13定向成垂直于平板15的其中一个表面。在此情况下，为了对准转子2，机舱必须转动直到所测量到的信号(尤其是所测量到的力)是最大值为止。
图3示出了用于本发明传感器的又一个可选择方案。图3示意性示出了本发明传感器11的透视图。代替图2中的平板15，图3中示出的本发明传感器11包括设计为叶片16的对称的空气动力学型轮廓。该叶片16包括前缘24和尾缘25。该叶片16连接到安装盘14，使得前缘24和尾缘25垂直于安装盘14的表面。用于测量力的工具或设备17定位在叶片16的表面上靠近安装盘14。
一般地，将用于测量力的工具或设备17定位成靠近安装盘14是有益的，因为在靠近安装盘处由于风产生的力比在远离安装盘14处的大。
优选地，本发明传感器11安装在风力涡轮机1的机舱5的顶部，这样使得在对准的情况下，风13在叶片16的前缘24处到达叶片16，且在叶片16的尾缘25处离开叶片16。
现在将参考图1到图4描述本发明的第二个实施例。与第一个实施例的元件对应的元件将具有同样的参考数字标识，且将不再详细描述。
图4示意性地示出了本发明传感器12的透视图。传感器12包括安装盘14、安装件18、平板15和用于测量力的工具或设备17。安装件18具有圆筒、杆或柱的形状。安装件18包括在它的纵向上的中心线26。安装件18连接到安装盘14，这样以便中心线26垂直于安装盘14的表面。
平板15连接到安装件18，这样以便平板15的竖向边20平行于安装件18的中心线26，且平板15的水平边19平行于安装盘14的表面。平板15包括用于测量力的工具或设备17，该工具或设备17优选地定位成靠近安装件18。在本实施例中，平板15的竖向边20用作支承边。
优选地，传感器12安装在机舱5的顶部，这样使得在对准的情况下，风向13平行于平板15的表面，这意味着风向13平行于水平边19。有利地，在对准的情况下，风在安装件18处到达传感器12，且在平板15处离开传感器。一般地，安装件18在顶风边提供对平板15的支承。
现在将参考图1、图5和图6描述本发明的第三个实施例。与第一个和第二个实施例的元件对应的元件将具有相同的参考数字标识，且将不再详细描述。
图5示意性地示出了本发明传感器23的透视图。优选地，该传感器23安装在风力涡轮机1的机舱5的顶部。风力涡轮机1的旋转轴线在图5中标识为参考数字21。该传感器23包括安装盘14、两个平板15a，15b和中心线22。该中心线22垂直于风力涡轮机1的旋转轴线21。平板15a和15b安装在如第一个实施例中所描述的安装盘14上面。他们中每一个都装备有如第一个实施例中所描述的用于测量力的至少一个工具或设备17。如第一个实施例中所描述的，也能够使用叶片16代替平板15a和15b。
平板15a和15b彼此间相距一特定的距离定位。优选地，两个平板15a，15b之间的距离对于平板15a，15b足够大，以不具有任何流动干扰。两个平板15a，15b已经相对于平行面转动约±α角度，这意味着平板15a与中心线22形成+α角度，平板15b与中心线22形成-α角度。角度α是涡轮机1的可接受的未对准角度。因此，只有沿着轴线28围绕支撑边27a和27b的力或力矩同为正或同为负时，才应激活涡轮机1的转子2，平板15a和15b与安装板14在支撑边27a和27b处相连，该轴线28垂直于风力涡轮机1的旋转轴线21，并垂直于传感器23的中心线22。在这种情况下，测量到的力或力矩具有相同的方向。换句话说，只有在两个扁平件上测量到沿着轴线28的力或力矩沿具有相同的代数符号时，才旋转转子28该轴线28垂直于中心线22并垂直于风力涡轮机1的旋转轴线21。借助于偏航致动器转子2可沿风力涡轮机1的竖向旋转轴线21旋转。
图6示意性示出了图5中的本发明传感器23的俯视图。图5和图6示出了在对准情况下的传感器23，其中风向13平行于中心线22。
通常，在所有实施例中的本发明传感器7、8、9、10、11、12、23可包括至少一个扁平件15、15a、15b、16，每个都装配至少一个用于测量力的工具或设备17。优选地，扁平件15、15a、15b、16中的每一侧都装配至少一个用于测量力的工具或设备17。典型地，工具或设备17为测量板的应力的应变仪。该测量到的应力对应于作用在平板上的风力。

Claims (12)

1.一种将安装在风力涡轮机的机舱(5)上的转子(2)对准风向(13)的方法，该机舱(5)包括传感器(7、8、9、10、11、12、23)，该传感器定位成使得传感器(7、8、9、10、11、12、23)的至少一部分暴露在风中，所述方法包括以下步骤：
-测量取决于风引起的信号，和
-依据测得的信号旋转具有转子(2)的机舱(5)，
其特征在于，
测得的信号对应于风引起的作用在所述传感器(7、8、9、10、11、12、23)上的力，其中在固定的元件上测量所述力，
所述传感器(7、8、9、10、11、12、23)定位成使得在具有转子(2)的机舱(5)对准风向时该传感器产生具有极值范数的信号，
旋转具有转子(2)的机舱(5)直到测得的信号的范数是极值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对测得的信号进行时间周期上的积分。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量作用在传感器(7、8、9、10、11、12、23)的至少一部分上的力、应力、扭矩或弯矩。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，传感器(7、8、9、10、11、12、23)包括扁平件(15、15A、15B、16)，该扁平件(15、15A、15B、16)包括两个侧面，在扁平件(15、15A、15B、16)的一个或两个侧面上测量信号。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述扁平件(15、15A、15B、16)包括平板(15、15A、15B)或对称的空气动力学轮廓(16)。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过相对于所述元件(2)的旋转轴线(21)旋转传感器(7、8、9、10、11、12、23)和／或扁平件(15、15A、15B、16)校准所述传感器(7、8、9、10、11、12、23)。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器(7、8、9、10、11、12、23)包括定向成垂直于所述元件(2)的旋转轴线(21)的中心线(22)，并垂直于第一扁平件(15A)和第二扁平件(15B)，所述第一扁平件(15A)和第二扁平件(15B)定位成彼此相距一距离，并定位成使得第一扁平件(15A)与中心线(22)形成角度+α，且第二扁平件(15B)与中心线(22)形成角度-α，并且只有在两个扁平件(15A、15B)上测量到沿轴线(28)的具有相同代数符号的力时，才旋转所述元件(2)，该轴线(28)垂直于中心线(22)且垂直于所述元件(2)的旋转轴线(21)。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述元件(2)为风力涡轮机(1)的一部分。
9.一种风力涡轮机(1)，包括：
安装在风力涡轮机的机舱(5)上的转子(2)；
用于确定具有转子(2)的机舱(5)相对于风向(13)未对准的传感器(7、8、9、10、11、12、23)，所述传感器定位在所述机舱(5)上以使得传感器(7、8、9、10、11、12、23)的至少一部分暴露在风中，所述传感器(7、8、9、10、11、12、23)测量取决于风引起的信号；和
偏航致动器，能够通过所述偏航致动器沿风力涡轮机的竖向轴线旋转风力涡轮机的机舱(5)和转子(2)，
其特征在于，
该传感器(7、8、9、10、11、12、23)包括至少一个扁平件(15、15A、15B、16)和用于测量作用在所述扁平件(15、15A、15B、16)上的力的至少一个工具或设备(17)，
所述传感器(7、8、9、10、11、12、23)定位成使得在具有转子(2)的机舱(5)对准风向时该传感器产生具有极值范数的信号，以及
所述偏航致动器被设计成旋转具有转子(2)的机舱(5)直到测得的信号的范数是极值。
10.如权利要求9所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述扁平件(15、15A、15B、16)包括平板(15、15A、15B)或对称的空气动力学轮廓(16)。
11.如权利要求9或10所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，所述传感器(7、8、9、10、11、12、23)相对于所述元件(2)的位置是可调整的。
12.如权利要求9或10所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，该传感器包括定向成垂直于所述元件(2)的旋转轴线(21)的中心线(22)，并垂直于第一扁平件(15A)和第二扁平件(15B)，所述第一扁平件(15A)和第二扁平件(15B)定位成彼此相距一距离，并定位成使得第一扁平件(15A)与中心线(22)形成角度+α，且第二扁平件(15B)与中心线(22)形成角度-α。
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