CN102279018A - 用于测量风力涡轮的操作参数的方法以及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量风力涡轮的操作参数的方法以及测量装置。提供适合于测量风力涡轮(100)的至少一个操作参数的测量装置。测量装置包括包含适合于发射光的光源(303)的控制单元(300)和连接到控制单元(300)并且适合于将从光源(303)发射的光传输到传感器装置(200)的光波导(401)。传感器装置(200)适合于检测至少一个操作参数并且包括光到电的功率转换单元(203)，其适合于接收由光源(303)发射的并且经由光波导(401)传输的光和将接收到的光转换成提供给传感器装置(200)的电操作功率。

Description

用于测量风力涡轮的操作参数的方法以及测量装置

技术领域

本公开大体涉及适合于测量风力涡轮的操作参数的测量装置。风力涡轮的操作参数可包括在风力涡轮的位置处的环境参数，诸如例如风速、风向、温度、环境湿度等，以及指示风力涡轮的操作状态的参数，诸如例如在塔架或转子叶片结构处的弯矩、旋转构件(诸如风力涡轮的轮毂、主轴和变速箱轴等)的转速。

除此之外，本公开涉及用于测量在风力涡轮的操作期间风力涡轮的操作参数的方法。

背景技术

对提供环保的和可靠的能源的迫切需要推动现代风力涡轮的发展。作为这种能源，风力涡轮越来越重要。风力涡轮典型地包括转子，其具有至少一个转子叶片和轮毂，用于将进来的风能转化为旋转的机械能。风力涡轮的轮毂的旋转传递到驱动发电机的主转子轴。多个单独的机械的和电的构件在风力涡轮内相互作用使得将风能转化为电能的效率成为问题。

在风力涡轮的操作期间，典型地多个操作参数被监控。操作参数的检测典型地不仅在风力涡轮的轮毂内执行，而且参数检测可在遥感位置处执行，诸如在风力涡轮的至少一个转子叶片的尖端处的测量位置或沿转子叶片的长度的不同的测量位置。

虽然许多测量系统仅仅消耗非常少量的电能，但是电能典型地经由电线从电源向测量的位置/测量系统的位置传输。

关于电磁兼容性和潜在的雷击区域，暴露的测量位置(诸如在风力涡轮的转子叶片处的位置)成为待考虑的问题。另一个问题是测量系统相对于它的导电构件的尺寸。

发明内容

鉴于上面所述，提供适合于测量至少一个操作参数的测量装置，所述测量装置包括包含适合于发射光的光源的控制单元、连接到控制单元并且适合于将从光源发射的光传输到传感器装置的光波导以及适合于检测该至少一个操作参数的所述传感器装置，传感器装置包括光到电的功率转换单元，其适合于接收由光源发射的并且经由光波导传输的光和将接收到的光转换成提供给传感器装置的电操作功率。

根据另一个方面，提供适合于测量至少一个操作参数的测量装置，所述测量装置包括包含适合于发射射频波的射频功率传输器的控制单元、连接到控制单元并且适合于将从射频功率传输器发射的射频波传输到传感器装置的天线以及适合于检测该至少一个操作参数的所述传感器装置，传感器装置包括射频到电的功率转换单元，其适合于接收由射频功率传输器发射的并且经由天线传输的射频波和将接收到的射频波转换成提供给传感器装置的电操作功率。

根据又一个方面，提供风力涡轮，其包括至少一个转子叶片和轮毂以及至少一个测量装置，所述测量装置包括包含适合于发射光的光源的控制单元、连接到控制单元并且适合于将从光源发射的光传输到传感器装置的光波导以及适合于检测至少一个操作参数的所述传感器装置，传感器装置包括光到电的功率转换单元，其适合于接收由光源发射的并且经由光波导传输的光和将接收到的光转换成提供给传感器装置的电操作功率。

本发明的另外的方面、优点和特征从从属权利要求、说明书以及附图中是显而易见的。

附图说明

在包括参考附图的说明书的余下部分中更具体地提出对于本领域技术人员完全的和能够实现的公开，包括它的最佳实施方式，在附图中：

图1示出根据典型实施例的包括具有至少一个转子叶片的转子的风力涡轮的侧视图，其中，转子叶片设置有传感器单元；

图2是根据典型实施例的安装在轮毂处的转子叶片的前视图，示出沿转子叶片的长度的传感器单元和传感器控制器装置的布置；

图3是根据另一个典型实施例的安装在轮毂处的转子叶片的前视图，其中，若干传感器单元示出与一个传感器控制器装置相互作用用于沿风力涡轮的转子叶片的长度的操作参数的测量；

图4是示出根据典型实施例的经由光链路单元连接的传感器装置和控制单元的构件的方框图；

图5是示出根据另一个典型实施例的经由射频链路单元连接的传感器装置和控制单元的构件的方框图；

图6描绘示出用于光功率供应辐射和光数据链路辐射的作为波长的函数的光辐射强度的曲线图；以及

图7是示出根据典型实施例的用于测量风力涡轮的至少一个操作参数的方法的流程图。

部件列表

100    风力涡轮

101    转子叶片

102    塔架

103    机舱

104    轮毂

105    风向

106    偏航角

107    竖直塔架轴线

108    桨距角

200    传感器装置

201    传感器单元

202    传感器控制器装置

203    光到电的功率转换单元

204    数据光源

300    控制单元

301    操作参数

302    主控制器装置

303    光源

304    光到电的数据转换单元

305    功率供应单元

400    光链路单元

401    光波导

402    光学数据波导

403    波长

404    辐射强度

405    功率供应辐射

406    数据链路辐射

407    功率传输单元

408    能量存储器件

500    射频链路单元

具体实施方式

现在将详细参考各种示例性实施例，其中的一个或更多个示例在附图中示出。每个示例作为解释提供并且不表示作为限制。例如，作为一个实施例的一部分示出的或描述的特征可使用在其它实施例上或结合其它实施例使用以又产生另外的实施例。意图是本公开包括这些改变和变更。

下面解释许多实施例。在这种情况下，在附图中相同的结构特征通过相同的附图标记识别。附图中示出的结构不是真正按比例描绘，而是仅仅用作实施例的更好理解。

图1示出根据典型实施例的风力涡轮100的侧视图。风力涡轮100包括塔架102和可旋转地布置在塔架102顶上的机舱103。机舱103可围绕典型地竖直的塔架轴线107旋转使得风力涡轮的转子指向进来的风向105。该调整通过改变机舱103相对于塔架102的偏航角106而实现。

机舱103携带转子，其具有至少一个转子叶片101以及轮毂104。至少一个转子叶片101可通过改变单独的转子叶片101的桨距角108相对于进来的风105的强度(例如风速)进行调整。桨距角108的改变对应于单独的转子叶片101围绕它的纵向轴线的旋转。

根据典型实施例，传感器装置200装设在转子叶片101中的一个处，如图1所示。在图1中，传感器装置200通过阴影区示意性示出。传感器装置200的构件，例如传感器单元和控制器装置，下面关于图2进行详述。在机舱103内，设置控制单元300，其经由光链路单元400连接到传感器装置200。本文中下面关于图2到图5将描述传感器装置200与控制单元300之间的连接。

图2是风力涡轮100的安装在轮毂104处的单独的转子叶片101的前视图。如图2所示，两个单独的传感器单元201沿转子叶片101的长度装设。传感器控制器装置202提供给每个单独的传感器单元201用于控制传感器单元和用于在控制单元(未在图2中示出)与传感器控制器装置之间经由光链路单元400传输供应能量。图2示出用于每个单独的传感器单元/传感器控制器装置201/202组合的两个光链路单元400。

这里注意到，虽然图2和图3示出装设在单独的转子叶片101处的传感器单元201，但是传感器单元201可装设在风力涡轮的其它位置处，例如在机舱处(例如用于风速和风向的测量)、在塔架处(例如用于局部的力和弯矩的测量)等。

虽然不限于特定的传感器装置，但是传感器装置200的单独的传感器单元201可包括光纤布拉格光栅、薄膜传感器、风速计单元、激光多普勒速度计、应变仪探针、加速度传感器以及皮托管中的至少一个。技术人员熟悉这种用于例如应力、弯矩、力、风向和风强度、气压和气压差的测量的传感器的操作，使得可包括在参数检测200中的单独的传感器单元201的功能原理的详细描述这里不进行详述。

而且，这里注意到至少一个传感器单元201可通过诸如但不限于可弯曲的压力管的非电联接连接到传感器控制器装置202。

此外，虽然未在附图中示出，但是能够在传感器装置200与控制单元300之间提供自由空间光链路单元代替光纤电缆400。控制单元300未在图2和图3中示出并且可包括在风力涡轮100的轮毂104和/或机舱103中。

类似于如图2所示的传感器装置的传感器装置200包括至少一个传感器单元201和用于控制传感器单元201的传感器控制器装置202。对于每个单独的传感器装置200，可提供分开的光链路单元400，如图2所示。为了形成传感器装置200，单独的传感器单元201和传感器控制器装置202的组合可设置成小型的，即导电构件包括相对于单独的转子叶片101的体积可被忽略的体积。

在这个方面，注意到图2和图3不一定按比例绘制。相对于电磁干扰，这些小型化的传感器装置200可被忽略。而且，潜在的雷击区域减少，这是因为导电构件受限于单独的传感器装置200的体积。

如之前所提及的，光链路单元400不包括任何导电构件。包括例如光纤的光链路单元400用作数据传输单元，用于向可布置在轮毂104或机舱103内的控制单元300(未示出)传输通过相应的传感器单元201获得的测量数据。

这里注意到，虽然仅仅两个传感器装置200示出在沿单独的转子叶片101的两个分开的位置处，但是多个传感器装置200可沿转子叶片的长度装设。这些单独的传感器装置200使用上面描述的测量系统可测量单独的测量信号，诸如风速、气压、风向等。使用这些测量的结果，能够例如通过调整单独的转子叶片101的桨距角108(参见图1)增强整个风力涡轮100的有效的控制。

光链路单元400可设置为纤维光缆。纤维光缆可单独用作功率传输单元或者可用作功率传输单元和数据通信链路的组合。如果提供纤维光缆或自由空间光链路，则电磁辐射典型地设置为光波。光波可设置在可见光谱区内，即在380纳米与780纳米之间。此外，光波导和使用光的数据链路可设置在红外(IR)光谱区中。

图3示出风力涡轮100的连接到轮毂104的单独的转子叶片101的前视图。如图3所示，单个的传感器控制器装置202被提供并且经由单个的光链路单元400连接到控制单元300(未在图3中示出)。单个的传感器控制器装置202用作用于多个单独的传感器单元201的控制器装置，在图3中示出的情况中，传感器控制器装置202用作用于四个传感器单元201的控制器装置。

传感器控制器装置202与传感器单元201之间的连接典型地是电线，使得风力涡轮100的单独的转子叶片101内的导电体积相对于图2中示出的布置增大一些。然而，向传感器控制器装置202的主要数据传输和供应功率的传输经由光链路单元400通过光链路提供。

除了将用于功率和/或数据传输的电磁辐射设置为光波之外，数据传输和功率传输中的至少一个可设置为射频波段中的电磁辐射，如本文中下面将关于图5所述。射频波的频率可在700兆赫与1000兆赫之间、更具体地在800兆赫与900兆赫之间，并且甚至更典型地为大约866兆赫。

图4是根据典型实施例的适合于测量风力涡轮100的至少一个操作参数的测量装置的方框图。根据图4中示出的该实施例，传感器装置200经由光链路单元400连接到控制单元300。光链路单元400包括用于将操作功率从控制单元300传输到传感器装置200的光波导401和用于在控制单元300与传感器装置200之间交换控制与测量数据的光学数据波导402。

这里注意到，虽然未在图4中示出，但是用于将操作功率从控制单元300传输到传感器装置200的光波导401的至少一部分和/或用于在控制单元300与传感器装置200之间交换控制与测量数据的光学数据波导402的至少一部分可由至少一个自由空间光链路单元代替。

这种数据交换可基于时分多路复用技术、频分多路复用技术和调幅技术。此外，能够将待从控制单元300传输到传感器装置200的数据叠加到从控制器装置300的光源303发射的光波上。

传感器装置200包括连接到单个的传感器控制器装置202的多个传感器单元201。此外，虽然未在图4中示出，但是能够给每个单独的传感器单元201提供单独的传感器控制器装置202。传感器装置200可包括能量存储器件408以提供用于操作传感器装置200的例如备用能量的存储器。

这里注意到，虽然未在图4中示出，但是光链路单元400的光波导401和光学数据波导402可组合在单个的光链路中，其能够将供应功率从控制单元300传输到传感器装置200并且用于在控制单元300与传感器装置200之间交换控制与测量数据。

如图4所示，经由光学数据波导402提供数据传输，光学数据波导402在控制单元300侧连接到光到电的数据转换单元304，而在传感器装置200侧连接到数据光源。因此，能够在传感器装置200与控制单元300之间光学地传输数据。

此外，提供功率传输单元407作为控制单元300与传感器装置200之间的连接。功率传输单元407包括用于发射光作为光功率的光源303、适合于将光从控制单元300侧向传感器装置200侧传输的光波导401以及适合于接收经由光波导401传输的光并且将接收到的光转换成电功率的光到电的功率转换单元203，电功率提供给光学传感器装置200的传感器控制器装置202。

这里注意到光到电的功率转换单元203基于它的光到电的功率转换效率将接收到的光转换成电操作功率。

控制单元300设计成基于通过传感器装置200的至少一个传感器单元201测量的至少一个操作参数来控制风力涡轮100。光源303可包括大功率激光二极管。高效激光二极管可设置在大约600纳米到700纳米，具体地大约650纳米到670纳米的频谱波长范围中。此外，光输出功率可以例如在5毫瓦与300毫瓦之间，更典型地在7毫瓦与200毫瓦之间变化。在示例性实施例中，高效激光二极管具有大约655纳米的频谱波长并且提供大约7毫瓦的光输出功率。在另一个示例性实施例中，高效激光二极管具有大约660纳米的频谱波长并且提供大约200毫瓦的光输出功率。

在传感器装置200侧的光到电的功率转换单元203可包括光电二极管，其关于有效的光功率到电功率的转换效率调谐到光源303中的激光二极管。光电二极管可在大约2伏与大约30伏之间、更具体地在5伏与20伏之间的电压范围中，并且以在2毫安与160毫安之间、更具体地在5毫安与100毫安之间的电流进行操作。使用本文中上面描述的功率传输单元407可获得几毫瓦一直到几十毫瓦的电功率。

相应地，电功率的不被传感器单元201和传感器控制器装置202使用的部分可存储在能量存储器件408中供以后使用。功率传输单元407的光波导401也可用于数据传输。即，包括光到电的数据转换单元304、数据光源204和光学数据波导402的数据传输单元可与功率传输单元407的构件组合。

而且，如图5所示，可能的是用于将操作功率传输到传感器装置并且用于在传感器装置200与控制单元300之间提供数据链路的电磁辐射可设置在射频波段中，即电磁辐射设置为射频波。该射频可在700兆赫与1000兆赫之间、更具体地在800兆赫与900兆赫之间，并且甚至更典型地为大约866兆赫。

图5是示出根据可与其它实施例组合的另一个典型实施例的经由RF即射频链路单元500连接的传感器装置200和控制单元300的构件的方框图。图5示出类似于图4中示出的测量装置的方框图，除了射频链路代替光链路设置在传感器装置200与控制单元300之间。

根据图5中示出的实施例，传感器装置200经由射频链路单元500连接到控制单元300。射频链路单元500包括适合于将作为电磁波的操作功率从控制单元300传输到传感器装置200的射频功率链路501和用于在控制单元300与传感器装置200之间交换控制与测量数据的射频数据链路502。

这里注意到射频功率链路501可设置为定向无线电链路系统，其包括至少一个天线，典型地定位在控制单元300处的定向传输天线和定位在传感器装置200处的定向接收天线，天线可相对于彼此相互调整。

这种射频功率链路501典型地可在几十厘米的距离处、更典型地在小于20厘米的距离处进行操作。这里注意到虽然到布置在风力涡轮100的转子叶片101处的传感器单元的距离可大于几十厘米，但是装设在风力涡轮的其它构件处的传感器单元(例如在机舱顶上的风速计、在塔架处的弯曲应变仪等)使用根据典型实施例的射频功率链路501可提供有电能。此外，根据另一个典型实施例，经由射频数据链路502的数据交换也可在不使用或采用射频功率链路501的情况下执行。

如之前所述并且如图4所描绘，传感器装置200包括连接到单个的传感器控制器装置202的多个传感器单元201。此外，虽然未在图5中示出，但是可能给每个单独的传感器单元201提供单独的传感器控制器装置202。传感器装置200可包括能量存储器件408以提供用于操作传感器装置200的例如备用能量的存储器。

如图5所示，经由射频数据链路502提供数据传输，射频数据链路502在控制单元300侧连接到主控器侧数据射频收发器505，而在传感器装置200侧连接到传感器侧数据射频收发器506。

此外，提供功率传输单元407作为控制单元300与传感器装置200之间的连接。功率传输单元407包括用于发射射频波的射频功率传输器503、适合于将射频功率从控制单元300侧向传感器装置200侧传输的射频功率链路501以及用于接收经由射频链路501传输的射频波并且用于将接收到的射频波转换成电功率的射频功率收发器504，电功率提供给光学传感器装置200的传感器控制器装置202。

这里注意到射频功率收发器504基于它的射频到电的功率转换效率将接收到的射频波转换成电操作功率。

控制单元300设计成基于通过传感器装置200的至少一个传感器单元201测量的至少一个操作参数来控制风力涡轮100。

相应地，电功率的不被传感器单元201和传感器控制器装置202使用的部分可存储在能量存储器件408中供以后使用。功率传输单元407的射频功率链路501也可用于数据传输。即，射频数据链路502的构件可与功率传输单元407的构件组合。

图6是示出作为波长403的函数的不同光辐射的辐射强度404的曲线图。附图标记405示出在特定的波长403处用于将光从控制单元传输到传感器装置200的功率供应辐射。如图6所示，在不同的波长403处提供数据链路辐射406用于在传感器装置200与控制单元300之间交换控制与测量数据。图5示出一种波长划分多路复用使得，即使光功率和通信数据经由相同的光纤传输，也避免功率传输与通信数据传输之间的干扰。

因此，操作功率传输和数据传输以电磁光谱的不同频率执行。另外，可能同时传输参数检测数据和操作功率。参数检测数据和操作功率可在时间划分模式中相互交替传输。如果例如没有数据传输，则光功率可用于对传感器装置200的能量存储器件408进行再充电。另外，参数检测数据和操作功率可在频率划分模式中相互交替传输。

图7是示出用于测量风力涡轮100的至少一个操作参数的方法的流程图。程序在步骤S1处开始并且运行至步骤S2，在此处提供传感器装置200。

然后，在步骤S3处，操作功率无线地传输到传感器装置200。相应地，传感器装置以及在传感器装置200内的传感器单元201在接下来的步骤S4中然后用于检测该至少一个操作参数。

然后程序前进至步骤S5，在此处基于检测的操作参数检测信号从传感器装置200输出。检测的信号可在与传输光相同的光纤链路上传输，该光纤链路用于操作带有其传感器单元201的传感器装置200。然后程序在步骤S6处结束。

从控制单元300传输到传感器装置200的光可设置在限制的光谱区内。光能通过光纤401传输并且转换成电能用作功率供应。这里注意到多个传感器装置200可连接到控制单元300。

基于在附图中示出并且另外的优点和改变从其中显现的实施例描述本发明。然而，本公开不限于以具体的术语描述的实施例，而是可以以适合的方式改变和变化。它处于将一个实施例的单独特征和特征组合与另一个实施例的特征和特征组合以适合的方式组合以便得出另外的实施例的范围内。

基于本文中的教导，对于本领域技术人员显而易见的是可做出变化和改变而不偏离本公开及其更宽广的方面。也就是说，本文中上面提出的所有示例意图是示例性的而非限制性的。

该文字描述使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且也使本领域技术人员能够实践描述的主题，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。尽管在前文中公开各种特定实施例，但是本领域技术人员将认识到权利要求的精神和范围允许同等有效的改变。特别地，上述的实施例的相互不排斥的特征可彼此组合。专利范围由权利要求限定，并且可包括这种改变和本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种测量装置，其适合于测量至少一个操作参数，所述测量装置包括：

控制单元(300)，其包括适合于发射光的光源(303)；

光波导(401)，其连接到所述控制单元(300)并且适合于将从所述光源(303)发射的光传输到传感器装置(200)；和

所述传感器装置(200)，其适合于检测所述至少一个操作参数，所述传感器装置(200)包括光到电的功率转换单元(203)，其适合于接收由所述光源(303)发射的并且经由所述光波导(401)传输的光和将接收到的光转换成提供给所述传感器装置(200)的电操作功率。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述传感器装置(200)还包括数据光源(204)，其适合于基于至少一个测量的操作参数发射数据光，并且其中所述控制单元(300)具有光到电的数据转换单元(304)，其适合于接收所述数据光和将所述数据光转换成电数据。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，还包括光学数据波导(402)，其适合于将从所述数据光源(204)发射的所述数据光传输到所述光到电的数据转换单元(304)。

4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述数据光源(204)和所述光到电的数据转换单元(304)设置为光学收发器，其适合于经由所述光学数据波导(402)在所述控制单元(300)与所述传感器装置(200)之间相互交换数据。

5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述光波导(401)和所述光学数据波导(402)形成为适合于在所述控制单元(300)与所述传感器装置(200)之间传输光功率和光学数据的单个波导。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，用于给所述传感器装置(200)提供电操作功率的所述光源(303)和用于基于至少一个测量的操作参数发射数据光的所述数据光源(204)适合于以相互不同的波长发射光。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，所述光源(303)是大功率激光二极管、光二极管阵列、发光二极管以及放电灯中的至少一个。

8.一种测量装置，其适合于测量至少一个操作参数，所述测量装置包括：

控制单元(300)，其包括适合于发射射频波的射频功率传输器(503)；

天线，其连接到所述控制单元(300)并且适合于将从所述射频功率传输器(503)发射的射频波传输到传感器装置(200)；和

所述传感器装置(200)，其适合于检测所述至少一个操作参数，所述传感器装置(200)包括射频到电的功率转换单元，其适合于接收由所述射频功率传输器(503)发射的并且经由所述天线传输的射频波和将接收到的射频波转换成提供给所述传感器装置(200)的电操作功率。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述传感器装置(200)还包括传感器侧数据射频收发器(506)，其适合于基于至少一个测量的操作参数发射射频数据，并且其中所述控制单元(300)具有射频到电的数据转换单元，其适合于接收所述射频数据和将所述射频数据转换成电数据。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述传感器侧数据射频收发器(506)和所述射频到电的数据转换单元设置为射频收发器，其适合于在所述控制单元(300)与所述传感器装置(200)之间相互交换数据。

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