CN101930010B - 用于测量风速的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量风速的方法和装置，具体而言，提供了一种用于测量风速的传感器组件(20，50)。传感器组件包括包含至少一个表面(21，22)以及至少部分地由该至少一个表面限定的流道(23)的主体，接线(24)从该至少一个表面延伸使得该接线至少部分地延伸通过流道，传感器组件配置成当空气流过流道对接线产生电流时确定风速。

Description

用于测量风速的方法和装置
技术领域
本申请一般地涉及风力涡轮机，且更特别地，涉及一种用于测量风速的方法和装置。
背景技术
典型地，风力涡轮机包括用于将来自接近风(oncoming wind)中的动能转化为用来产生电力的机械能的多个叶片。为了优化风力涡轮机的运行，确定接近风的速度常是有益或必要的。
因此，至少一些已知的风力涡轮机配备了测量风速和风向的基于转杯的或转杯式风速计。已知的风速计使用了多个装置，例如围绕垂直杆可旋转地联接的中空的半球。当暴露在风中时，多个装置围绕杆旋转，而电子装置确定装置的旋转速度，并计算风速。风速计也可与确定风向的单独的风向标联合使用。因此，由于此类转杯式风速计使用了旋转部件，它们可易于产生机械故障。此外，为了有效工作，此类部件必须暴露于自然环境，因此此类风速计易遭受冰冻。另外，转杯式风速计必须物理性地放入风洞来校准。
其它已知的风力涡轮机可使用超声波风速计来测量风速和风向。已知的超声波风速计使用从不同的方向发出超声波脉冲的多个传感器。当暴露于风时，逆着风流移动的超声波脉冲减速，且随着风流移动的超声波脉冲加速。电子装置确定对于在不同方向上发出的脉冲在传播时间上的差异，并计算风速和风向。采用超声波风速计的一个缺点是它们很昂贵。而且，风流中包含的其它气体或微粒可能会负面地影响超声波风速计。
发明内容
在一个实施例中，用来测量风速的传感器组件包括包含至少一个表面以及至少部分地由该至少一个表面限定的流道的主体。传感器组件还包括从该至少一个表面延伸的接线，并且该接线至少部分地延伸通过流道。传感器组件配置成当空气流过流道对接线产生电流时确定风速。
在另一个实施例中，一种风力涡轮机包括塔架，联接到塔架上的外罩，联接到外罩上的轮毂，以及联接到轮毂上的至少一个叶片。涡轮机还包括用来测量风速的传感器组件。传感器组件包括包含至少一个表面以及至少部分地由该至少一个表面限定的流道的主体。传感器组件还包括从该至少一个表面延伸的接线，并且该接线至少部分地延伸通过流道。传感器组件配置成当空气流过流道对接线产生电流时确定风速。
在另一个实施例中，一种用于测量风速的方法包括提供包括至少一个表面以及至少部分地由该至少一个表面限定的流道的主体。该方法还包括将接线联接到该至少一个表面上，使得该接线至少部分地延伸通过流道。该方法还包括当空气流经流道时对接线产生电流，并基于接线的电阻变化计算风速。
附图说明
图1为示例性风力涡轮机的侧视图。
图2为可与图1中所示的风力涡轮机一起使用的示例性传感器组件的截面视图。
图3为可与图1中所示的风力涡轮机一起使用的包括尾部和底部的传感器组件的一个备选实施例的横截面视图。
图4为可与图1中所示的风力涡轮机一起使用的示例性翼型件的部分透视图，其示出了第一安装布置。
图5为图4中所示的翼型件的横截面视图，示出了第二安装布置。
部件列表
10风力涡轮机
11塔架
12外罩
13轮毂
14叶片
20传感器组件
21第一表面
22第二表面
23流道
14接线
25温度传感器
26数据处理器
30翼型件
40开口
41压力侧
42吸力侧
50传感器组件
56尾部
57底部
58轴
具体实施方式
图1示出了一种示例性风力涡轮机10。在该示例性实施例中，风力涡轮机10包括塔架11，联接到塔架11上的外罩12，联接到外罩12上的轮毂13，以及联接到轮毂13上的至少一个叶片14。塔架11为外罩12、轮毂13和叶片14提供支撑。塔架11可具有如本领域已知的此类高度和结构。
外罩12联接到塔架11上。外罩12典型地容纳用来将叶片14的旋转能量转化为电力的部件(未示出)。外罩12如本领域中已知的构造。轮毂13联接到外罩12上。轮毂13为至少一个叶片14提供可旋转壳体。轮毂13可如本领域中已知的构造。
至少一个叶片14联接到轮毂13上。在该示例性实施例中，三个叶片14联接到轮毂13上。当风冲击叶片14时，叶片14可围绕旋转中心轴线旋转。在该示例性实施例中，各叶片14均与地面充分垂直地定向，并且各叶片14均旋转通过大致相同的旋转平面。各叶片14均可如本领域中已知的构造。
在运行中，当风冲击叶片14时，叶片14围绕轮毂13旋转，且叶片14将风的动能转化为旋转能量。更具体而言，叶片14的旋转使外罩12内的齿轮箱(未示出)旋转。齿轮箱联接到外罩12内的发电机(未示出)上，发电机产生电力。在一个备选实施例中，风力涡轮机10不包括齿轮箱，而是电力经由穿过塔架11的电缆组件(未示出)传输。电缆组件将电力传输到电力网或其它目的地。
图2示出了可与风力涡轮机10(如图1所示)一起使用的示例性传感器组件20。在该示例性实施例中，传感器组件20包括第一表面21，相对的第二表面22，以及限定在二者之间的流道23。在该示例性实施例中，第一表面21和第二表面22形成了大体上环形主体的大体上互补的两半。在一个备选实施例中，第一表面21为环形并形成流道23的周界。在此类实施例中，在由第一表面21形成的周界内环形地限定流道23，且传感器组件20不包括第二表面22。在该示例性实施例中，传感器组件还包括联接到第一表面21和第二表面22上的阻值已知的接线24，使得接线24至少部分地延伸过流道23。在该示例性实施例中，传感器组件20还包括位于接线24的上游，联接到第一表面21和/或第二表面22的任一个上的温度传感器25。本领域普通技术人员将会意识到接线24的阻值至少部分地依赖于接线24的温度。因此，如本文中所用，用语“已知阻值”指的是处在预定校准温度下的接线24的阻值。本领域普通技术人员还将意识到可采用接线24的已知阻值在现场对传感器组件20进行校准，而不仅仅在风洞中校准传感器组件20。
第一表面21和第二表面22可定向成使得流道23可具有多种横截面区域中的任何一种。例如，流道23可限定为具有大体上圆锥形的形状，具有大体上圆柱形的形状，具有包括喇叭形入口的形状，和/或具有使传感器组件20能够如本文所述起作用的任何横截流截面的形状。在该示例性实施例中，第一表面21和第二表面22限定包括喇叭形入口的大体上圆柱形的流道23。更具体而言，在该示例性实施例中，流道23的形状促进减少进入空气流中的垂直分量，使得大体上仅空气流中的水平分量被传感器组件20感知。该示例性实施例促进风力涡轮机的优化，因为典型地，对于风力涡轮机发电而言，实质上仅可利用风的水平速度。
在运行中，从电源(未示出)对接线24引起大致恒定的电流。备选地，可将大致恒定的电压跨越接线24而施加。在该示例性实施例中，产生的电流加热接线24，这减少接线24上形成冰的可能性。当空气进入流道23时，温度传感器25探测引入空气的温度。当空气流经接线24时，空气引起接线24中的温度降低。在该示例性实施例中，温度传感器25和接线24各自电联接到数据处理器26上。
数据处理器26从接线24和温度传感器25接收数据。由于接线24的阻值与接线24的温度成比例，数据处理器26可基于接线24的温度下降、空气的温度以及接线24的已知阻值计算流经流道23的风速。该示例性实施例采用了最少的移动部件来测量风速。因此，将会意识到该实施例促进比转杯式风速计更高的机械可靠性。
在一个实施例中，传感器组件20利用大致水平的梁(未示出)联接到轮毂13上。备选地，传感器组件20使用允许组件20如本文所述起作用的任何其它机构(未示出)联接到轮毂13上。在此类实施例中，轮毂13的旋转可用来促进朝向风流旋转传感器组件20。
图3示出了一种可与风力涡轮机10(如图1所示)一起使用的备选传感器组件50。在此类实施例中，传感器组件50与传感器组件20(示于图2)相似，相同的部件在图3中采用与图2中相同的参考标号标示。因此，传感器组件50包括流道23以及表面21和22。传感器组件50还包括尾部56和底部57。尾部56定向成使得当风从除了与流道23基本平行的方向以外的任何方向冲击尾部56时，对传感器组件50产生水平扭矩。在该示例性实施例中，尾部56为大致鳍状或翼状，并从第一表面21或第二表面22向外延伸，使得尾部56排列成与经过流道23的中心线(未示出)垂直延伸的平面(未示出)大致平行。
底部57将传感器组件50可旋转地连接到轴58上。在该示例性实施例中，轴58定向成大体上垂直于地面，使得传感器组件50可围绕延伸通过轴58的中心线旋转。结合起来，尾部和底部56和57分别使传感器组件50能够朝向风流旋转。在一个备选实施例中，使用传感器或联接到一装置(传感器组件50安装到其上)上的设备，传感器组件50被朝向风流定向。本领域普通技术人员将会意识到到尾部56和底部57分别促进提供一种比本领域目前已知的其它探测设备更有效且更便宜的测量风速和风向二者的方法。
图4示出了包括联接到其上的多个示例性传感器组件20的示例性翼型件30的一部分。本领域普通技术人员将意识到翼型件30可为风力涡轮机叶片、飞机机翼、用于燃气涡轮发动机中的叶片和/或落入本申请的主题范围内的任何其它翼型件。传感器组件20联接到翼型件30上以使得能够对流经翼型件30的空气进行分析，并且可给翼型件30周围的风况提供更好的理解。此外，一个或多个传感器组件20可联接到翼型件30上为叶片变桨的高级控制提供数据。将会意识到传感器组件20可根据需要容易地联接到翼型件30上或从翼型件30上移除。
图5示出了一种翼型件30，该翼型件30还包括从压力侧41穿过翼型件30延伸至相对的吸力侧42的开口40。传感器组件20可联接到开口40上以提供关于翼型件30的压力分布和空气流动条件的数据。
在运行中，翼型件30的压力侧41处的高压空气进入由第一表面21和第二表面22限定的流道23。空气在离开翼型件30的吸力侧42处的流道23之前流经温度传感器25和接线24。数据处理器26基于来自接线24和温度传感器25的数据计算风速。
上述的实施例促进提供一种用于测量风速和风向的有效且成本合算的传感器组件。传感器组件可结合使传感器组件大致朝向风流定向的风定位尾部和底部。如果风力涡轮机已经包括使风力涡轮机朝向风流定位的设备，则传感器组件可备选地不包括底部和尾部而联接到风力涡轮机上。实施例使用最少的运动部件来测量风速，因此促进了比转杯式风速计更高的机械可靠性。由于实施例使用加热的接线来测量风速，因此实施例减少了在测量表面上形成冰的可能性，从而增加了它们被用于寒冷气候的能力。
此外，与包括转杯式风速计的风力涡轮机相比，示例性实施例提高了传感器组件减少流经流道的风的垂直分量的能力。在示例性实施例中，传感器组件主体的形状便于仅实质上测量风速的水平分量。如上述实施例中所示，传感器组件可联接到翼型件上，或位于翼型件中的开口内，测量翼型件处的空气流和压力分布。另外，实施例可用于测量大气风流，而不仅仅测量实验室或风洞内的空气流。
以上详细描述了风力涡轮机和用于测量风速的方法及组件的示例性实施例。该方法和组件不限于本文所述的特定的实施例，而是组件的部件和/或方法的步骤可与本文所述的其它部件和/或步骤独立且分开地使用。例如，组件也可与其它测量系统和方法结合使用，而不限于仅与如本文描述的风力涡轮机和方法一起实施。相反，示例性实施例可与许多其它风力涡轮机应用一起实施并使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可在一些图中示出，而在其它图中未示出，但这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，一幅图中的任何特征均可与任何其它图中的任何特征一起引用和/或要求保护。
本书面说明书使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有的结构要件和权利要求的字面语言没有不同，或者如果它们包括的等价结构要件和权利要求书的字面语言没有本质的不同，则它们都意在属于权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种用于测量风速的传感器组件，所述传感器组件包括：
主体，其包括第一表面、第二表面以及限定在所述第一表面和第二表面之间的流道；
温度传感器，其在所述流道内联接到所述主体上；以及
接线，其从所述第一表面延伸到所述第二表面以延伸贯穿所述流道，在运行中，所述接线被提供大致恒定电流或者被施加大致恒定电压，所述传感器组件配置成随着空气流经所述流道根据来自所述传感器和所述接线的数据确定风速。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述主体还包括联接到所述第一表面上的尾部，所述尾部促进相对于流向所述传感器组件的空气使所述主体定向。
3.根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，所述主体还包括围绕旋转轴线可旋转地联接所述传感器组件的底部。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其特征在于，所述底部可旋转地联接到轴上。
5.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述流道的形状设置成可促进减少经过所述主体的空气流的垂直分量。
6.一种风力涡轮机，包括：
塔架；
联接到所述塔架上的外罩；
联接到所述外罩上的轮毂；
联接到所述轮毂上的至少一个叶片；以及
用于测量风速的传感器组件，所述传感器组件包括：
主体，其包括第一表面、第二表面以及限定在所述第一表面和第二表面之间的流道；以及
接线，其从所述第一表面延伸到所述第二表面以延伸贯穿所述流道，
所述传感器组件进一步包括在所述流道内连接到所述主体的温度传感器；在运行中，所述接线被提供大致恒定电流或者被施加大致恒定电压，其中所述传感器组件配置成随着空气流经所述流道根据来自所述传感器和所述接线的数据来确定风速。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述主体还包括联接到所述第一表面上的尾部，所述尾部促进相对于流向所述传感器组件的空气使所述主体定向，并且其中，所述主体还包括围绕旋转轴线可旋转地联接所述传感器组件的底部。
8.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述传感器组件还包括联接到所述接线上的数据处理器。
9.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述主体联接到所述至少一个叶片上。
10.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述主体联接在限定于所述至少一个叶片中的开口内。
11.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述流道定形为促进减少经过所述主体的空气流的垂直分量。
12.一种用于测量风速的方法，所述方法包括：
提供包括第一表面、第二表面以及限定在所述第一表面和第二表面之间的流道的主体；
将接线联接到所述第一表面上，所述接线从所述第一表面延伸到所述第二表面以使得所述接线延伸贯穿所述流道；
将温度传感器在所述流道内联接到所述主体上；随着空气流经所述流道，向所述接线提供大致恒定的电流或对所述接线施加大致恒定的电压；以及
根据来自所述传感器和所述接线的数据计算流经所述主体的空气的风速。
13.根据权利要求12所述的用于测量风速的方法，其特征在于，所述方法还包括将尾部联接到所述第一表面上，其中所述尾部促进相对于流向所述传感器组件的空气使所述主体定向。
14.根据权利要求13所述的用于测量风速的方法，其特征在于，所述方法还包括将底部联接到所述主体上，所述底部围绕旋转轴线可旋转地联接所述传感器组件。
15.根据权利要求12所述的用于测量风速的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述主体联接到翼型件上。
16.根据权利要求12所述的用于测量风速的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述主体联接到限定在翼型件中的开口上。
17.根据权利要求12所述的用于测量风速的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述流道配置成使得经过所述流道的空气流的垂直分量被减少。
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