CN103608653A - 包括光学传感器系统的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

风力涡轮机（1）包括光学传感器系统（10），所述光学传感器系统包括一个或多个光学传感器（12），所述光学传感器包括：传感器膜（18）；光源（20），其用于照射传感器膜的表面；光学色散元件（26），其设置成使来自光源（20）的光色散；和光检测器（30），其用于在从传感器膜（18）的表面反射之后和通过光学色散元件完成光束的色散之后接收色散光束的一部分。在光检测器（30）处被接收的光的波长根据传感器膜（18）的移位改变，并且光检测器操作性地提供基于被接收的光的波长变化的输出。风力涡轮机基于从光学传感器系统接收的向风力涡轮机控制系统的输入被操作。

Description

包括光学传感器系统的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的光学传感器系统和一种包括所述传感器系统的风力涡轮机。本发明尤其应用于检测湍流或监测风力涡轮机部件的振动。

背景技术

为了优化风能的提取，风力涡轮机一般配备有多个传感器装置，所述多个传感器装置可以向涡轮机的控制系统提供反馈。例如，传感器装置通常用于监测在风力涡轮机处的环境状况、以及用于测量风力涡轮机部件的参数，比如应变。通过使用从这些传感器装置获取的数据，可以相应地操作风力涡轮机，比如控制叶片的桨距。机舱的偏转也能够被调整，以使得风力涡轮机在产能方面尽可能高效。

传感器装置还通常用于监测风力涡轮机部件的状况，以使得部件的损坏、或部件状况的恶化能够被尽早地测出并采取必要的维护措施。这有助于提高部件寿命和防止风力涡轮机早期故障或完全失效。此外，由于某些类型的损坏会不利地影响风力涡轮机的操作，所以风力涡轮机部件的有效维护措施将确保风力涡轮机能够尽可能高效地操作。这种传感器系统对位于偏远地区的风力涡轮机尤其重要，所述偏远地区比如与维护相关的时间和成本都相对较高的近海、沿海或高海拔区域。

由于大多数风力涡轮机的高度，来自雷击的损坏是反复出现的操作问题。避雷针的使用提供了一种将来自的雷击的能量安全地引出被击部件的方式，从而使所述被击部件遭受的损坏最小或没有损坏。然而，避雷针不会一直充分地保护安装在风力涡轮机部件上或其中的传感器设备。包括金属部件（比如配线和电路）的传感器系统尤其容易被放电损坏。

附加地，风力涡轮机中的传感器系统的操作可能受到与存在于例如机舱中的重型电气和机械设备相关的磁场和电场不利地影响。因此，传感器系统不能以最佳方式工作。

出于这些原因，通常优选减少传感器系统中使用的电子器件的数量和在可能的情况下都使用光学元件。

有一种类型的传感器已经被证明敏感于来自风力涡轮机中的重型设备（比如发电机）的EMC干扰，所述传感器是电麦克风，所述电麦克风可以在声传感器中使用，以基于声发射监测风力涡轮机部件的状况。因此，先前已经提出在风力涡轮机中的传感器应用中使用“光学”麦克风。光学麦克风通过使用将任何振荡转换成光束而不是电信号的膜以检测空气运动。

例如，先前已经提出给风力涡轮机设置包括一个或多个光学麦克风的传感器系统，以检测风力涡轮机处的气流中的湍流。在一个被提议的系统中，湍流传感器被用于检测在风力涡轮机叶片的表面上的非期望物质（比如冰或泥土）的积累。在另一被提议的应用中，类似的湍流传感器被用作控制系统的一部分，所述控制系统基于湍流测量值控制风力涡轮机叶片的空气动力参数，比如叶片桨距角。光学麦克风还被提出用于代替用于检测振动的电麦克风作为状况监测系统的一部分，以监测机舱内的发电机或其它设备。

尤其由于麦克风对关联光纤的运动的敏感性，已知的光学麦克风的性能一般不如传统的电麦克风，这导致错误信号产生。这个问题在使比如风力涡轮机的结构移动或旋转时尤其严重。许多光学麦克风的性能也不利地受到以下事实影响：光学传感器必须被附接到传感器膜，例如在使用光纤光栅传感器的情况下。因此，膜变得更重且并非自由地准确响应空气运动。此外，在对于光学麦克风的现有布置方式中，所需的光产生和检测装置相对昂贵，以使得以商业规模使用所述系统并非经济可行的。

发明内容

因此，期望提供一种包括新颖的光学麦克风配置的传感器系统，所述光学麦克风配置的性能被提高且克服了与现有光学麦克风相关的问题。尤其期望的是所述系统能够由相对耐用和低成本的部件形成，以使得系统对于在风电场中使用更加经济可行。还期望的是所述系统容易地适于风力涡轮机上的多种不同的传感器应用。

根据本发明，提供了一种包括光学传感器系统的风力涡轮机，所述光学传感器系统包括一个或多个光学传感器，每个传感器包括：反射性传感器膜；光源，其用于照射传感器膜的表面；光学色散元件，其布置成使来自光源的光束色散；以及光检测器，其用于在从传感器膜的表面反射之后和通过光学色散元件使光束色散之后接收光束的一部分。在光检测器处接收的光的波长根据传感器膜的移位改变，并且光检测器操作性地提供基于被接收的光的波长的变化的输出。风力涡轮机还包括控制器，所述控制器用于接收来自传感器系统的数据且基于被接收的数据控制风力涡轮机的操作参数。

术语“操作参数”指影响风力涡轮机的操作的风力涡轮机的任何参数。以从光学传感器系统接收的数据为基础的待控参数将取决于传感器系统的功能，并且以下将描述这些实施例。在某些实施方式中，待控的操作参数可以是风力涡轮机叶片的空气动力参数，比如叶片桨距或转子转速。在其它实施方式中，待控的操作参数也可以是发电机的参数，比如载荷、功率或转速。

本发明的风力涡轮机的光学传感器提供了一种新颖类型的光学麦克风，如以下更加详细描述地，所述光学麦克风在监测操作期间的风力涡轮机中具有多种潜在应用。

本发明的风力涡轮机中使用的光学传感器通过检测在光检测器处被接收的光的波长变化工作，所述变化指示传感器膜相对于光检测器和光源的运动。在由光学色散元件产生的色散光束中，不同波长的光被分散开或分解以产生被色散的“扇形”光束。在光束已经从传感器膜的表面反射之后，每个波长的光将相对于传感器膜以稍微不同的角度传播。在光检测器处接收的光的波长将取决于传感器膜相对于光源和光检测器的固定位置的位置。

传感器膜的移位能够基于简单的三角学方法直接从测出的波长改变获知，因为光源和光检测器的位置、以及由棱镜完成的光束的角色散是已知的且维持固定。传感器膜的移位型式以如同传统电麦克风一样的方式指示在传感器膜的表面处的气流。

有利地，本发明的布置方式允许反射光在无需将任何检测部件直接附接到传感器膜的情况下被检测，这允许传感器膜响应于表面处的空气运动自由地移动。因此，传感器膜能够更加快速地响应空气运动且提供对表面处的气流更加准确的指示。因此，传感器膜的布置方式更加类似于电麦克风的布置方式，并且能够在提供使用光学部件而不是电学部件的益处的同时提供类似的高性能。

本发明中使用的传感器是高度敏感的，即使膜的小移位也能够通过监测在光检测器处接收的反射光的波长而容易地测出。由于几乎没有移动部件，传感器耐温度的极端变化，并且传感器的操作将不会被状况变化影响，比如温度或湿度变化。另外，因为传感器在可能的情况下都使用光纤而不是金属配线或电路，因此传感器的性能不会被在传感器附近的重型设备的电场或磁场影响，并且由于雷击损坏的危险性降低。

本发明中使用的传感器的光源和光检测器能够有利地由相对便宜和耐用的部件提供，所述部件相对易于安装和操作。因此，本发明提供了一种符合成本效益的传感器，所述传感器适于在商业规模中的风力涡轮机中使用。

本发明中使用的光学传感器的光源发射单一光束，所述光束通过光学色散元件被分解成不同波长以产生色散光束，所述色散光束具有在不同角度处折射的各个不同波长或颜色。光源可以包括任何合适的光电器件，包括例如发光二极管、光电二极管或激光器。优选地，光源还包括光纤，并且来自光电器件的光输出被输入光纤，所述光纤传递光并将光引到传感器膜的表面处。根据风力涡轮机中的传感器的所需位置，光电器件能够被较远定位，以使得它们被保护而不受雷击。

由光源发射的“光”可以是可见光或可替代地是非可见类型的电磁辐射，比如红外。在第一优选实施方式中，光源发射平均波长大约1500nm的光。在第二优选实施方式中，光源发射平均波长大约800nm的光。

从光源发射的光束的波长范围优选相对较窄。例如，光束的波长范围优选小于10nm、更优选为大约5nm。在一个尤其优选的实施方式中，光源发射具有1500nm至1505nm波长范围的光束。

光学色散元件将来自光源的光束分解成其组成波长，其中，每个波长以不同的角度折射，以使光束色散成扇形或圆锥形形状。例如，在白色可见光光束的情况下，光学色散元件使光分解成其组成光谱颜色，以产生被色散的彩虹光束。光学色散元件的形式可以是一个或多个棱镜、衍射光栅或任何其它光束分解的光学部件。

光学色散元件可以被安装在沿光源和光检测器之间的光束路径的各种位置，以使得光束色散相对于光束反射在不同时间发生。然而，在所有情况下，同样的测量原理可以被用于监测在光检测器处接收的光的波长的变化，并且由此确定传感器膜的任何运动。

在本发明的第一实施方式中，光学色散元件在光源和传感器膜之间被安装在光源的前方，以使得传感器膜的表面被色散光束照射。色散光束从光源以展开的方式传送并且以分散型式照射到传感器膜的表面。每个波长的光将因此也以稍微不同的角度从传感器膜反射回来，以使得反射光的形式也是被色散的“扇形”光束。传感器膜的由于气流或振动的任何运动将引起色散光束的运动，以使得不同部分的光束指向光检测器，并且不同波长的光被接收。在本发明的第一实施方式中，光学色散元件优选是光学棱镜。

在本发明的第二实施方式中，光学色散元件被设置在反射性传感器膜的表面处，以使得光束从光源入射到光学色散元件上。来自光源的光束由此在其从传感器膜的表面反射的时候以波长分解和被色散。合成的色散光束将呈如上所述的相关于本发明的第一实施方式的相同的形式。传感器膜的任何运动将引起光学色散元件的相应运动，因此也引起色散光束的运动，以使得不同部分的光束、因此不同波长在光检测器处被接收。

在第二实施方式中，光学色散元件可以是能够使入射光束被反射的角度基于波长改变的任何合适的形式。应用在传感器膜上的合适的光学色散元件对于本领域技术人员来说是已知的且包括例如衍射光栅（比如刻划光栅或全息光栅）或光学过滤器类型。

在一个优选实施例中，光学色散元件的形式是随角异色过滤器，这意味着从过滤器反射回来的色散光束的波长光谱将根据光束在过滤器上的入射角度改变。随着传感器膜相对于光源移动，光束在过滤器上的入射角度将改变，从而引起被反射的色散光束的波长光谱改变。通过监测在光检测器处接收的波长变化，可以监测光束的入射角度的变化，因此可监测传感器膜的运动。合适的随角异色的薄膜过滤器可以从公司Semrock买到。

在第二实施方式中，光学色散元件可以以多种方式被包括在传感器膜的表面处，这对于本领域技术人员来说也是已知的。优选地，光学色散元件的形式是例如通过使用比如光学沉积或气相沉积的技术被施加到传感器膜的表面区域的涂层或薄膜。可替代地，光学色散元件可以被集成到传感器膜中。

在根据本发明的第二方面的实施方式中，光学色散元件优选覆盖传感器膜的表面的限定区域，所述限定区域与由来自光源的光束照射的区域一致。限定区域可以相较于传感器膜表面的整个区域相对更小，例如，光学色散元件可能覆盖小于5mm²、或小于3mm²或在一些情况下小于1mm²的区域。

在本发明的第三实施方式中，光学色散元件被设置在传感器膜和光检测器之间，以使得光束直到其已经从传感器膜的表面被反射之后才被色散。传感器膜的由于气流或振动的任何运动将引起反射光束的运动，以使得光束以稍微不同的角度照射到光学色散元件，并且由光学色散元件产生的色散光束的位置将稍微偏移。如同上述其它两个实施方式，不同部分的色散光束将指向光检测器。在本发明的第三实施方式中，光学色散元件优选是光学棱镜。

使用光学色散元件使来自光源的光束色散是众所周知的，并且技术人员熟悉光学色散元件的可用类型和它们影响光束的方式。有关光学色散元件的一些背景信息可以在以下文献中找到，例如，

作者为C.Cotton、D.Faklis、J.Bowen和G.Morris，由Storming Media（1991）发布的文献“Application of Surface-relief diffractive optics tohelmet-mounted displays”；

作者为R.Meyer、K.Kearney、Z.Ninkov、C.Cotton、P.Hammond和B.Statt，由Proc.SPIE，5492（2004）发布的文献“RITMOS：a micromirror-basedmulti-object spectrometer”；以及

由Schott AG出版的“Interference filters and special filters”。

本发明中使用的传感器的光检测器被布置为接收从传感器膜的表面反射且已经被光学色散元件在某个位置色散的一部光束。由光检测器接收的被色散的光的波长范围或角度必须小于反射光束的总波长范围或角度，以允许被接收的光的波长变化被检测。光检测器被定位成使得被接收的一部分光束将根据传感器膜相对于光检测器的位置改变。合适类型的光检测器已知于技术人员。优选地，光检测器包括一个或多个光纤，并且一部分反射光被接收到指向传感器膜的表面的光纤的端部中。

在一个尤其优选的实施方式中，光检测器包括WDM（波分复用）系统，在所述WDM系统中，一部分色散光束被接收到单一光纤中，并且作为单一输入指向信号分离器，所述信号分离器将光束再次分解成两个或多个分开的不同波长的输出。每个输出被传送到PIN二极管，并且两个或多个PIN二极管被连接到差分放大器。

随着传感器膜相对于光检测器移动，在光检测器处接收的光的波长将以连续方式改变，并且输出波长之一的幅度将增加，而其它波长（一个或多个）的幅度将减小。因此，通过比较不同的输出信号的幅度，可以分析被接收的光的波长变化和计算传感器膜的相应运动。

这种类型的光检测器布置方式是尤其有利的，因为不同于具有许多传统类型的光学麦克风的布置方式，输出对例如由于风力涡轮机部件的运动产生的光纤的运动相对不敏感。这是因为任何运动将以相同的方式影响每个波长输出，以使得共同变化将通过差分放大器抵消且不会引起显著的不精确性。

本发明中使用的传感器的光检测器操作性地提供基于被接收的光的波长变化的输出。输出优选在处理器处被接收，所述处理器处理被测量出的波长数据，以确定传感器膜的移位的型式。基于有关传感器膜的移位的信息，处理器能够确定气流或引起传感器膜的移位的振动的一个或多个参数。由处理器执行的数据处理将取决于传感器的功能。在某些实施方式中，传感器将包括处理器，所述处理器例如作为光检测器的一部分。在其它实施方式中，处理器将不形成传感器自身的一部分，而是被连接到传感器系统中的光检测器。

来自光检测器或处理器的输出在风力涡轮机的控制器处被接收，所述控制器基于被探测出的输出控制操作参数。这可以是控制风力涡轮机部件的参数，以最大化风力涡轮机的效率。可替代地，在某些情况下，例如在检测冰或对部件的损坏时，控制器可使风力涡轮机关闭和临时停止操作，以使得问题可以被解决。

本发明中使用的传感器的传感器膜被布置为使得其容易受到要由传感器检测的气流变化的影响。膜一般相对较薄，优选在0.5mm和2.0mm之间，并且被张紧以使得在传感器膜的表面处的可能气流将仅引起膜表面的小幅运动。在实践中，虽然所需运动范围将取决于应用场合，但大约数微米的膜运动范围已经被发现是有利的。

膜的材料的选择也取决于传感器的所需应用情况，但确保膜适于测量是关键的。太轻和太柔的材料在许多情况下会太敏感于气流，且不适于区分正常和异常气流状况。优选地，材料因此具有足够的强度和刚度以确保仅相对强烈的振动（在10到100Hz的范围中）被检出。附加地，传感器膜必须由这样的材料形成，所述材料具有足够光滑的反射表面以确保光束能够被有效地反射，以使得光束能够被光检测器容易地测出。优选地，传感器膜由反射性聚合材料形成。

在某些实施方式中，可以使用风力涡轮机部件的表面作为用于本发明的传感器的传感器膜。例如，风力涡轮机叶片的外表面可以为期望测量叶片表面处的气流的特定应用提供合适的传感器膜。

在本发明的某些实施方式中，光学传感器系统的光源和光检测器被操作性地设置在风力涡轮机叶片部件（比如风力涡轮机叶片）内的传感器腔体中，并且传感器膜覆盖至少一部分腔体。传感器腔体可以被密封。这允许腔体环境被维持在确保传感器膜的良好操作的湿度和温度的水平下。密封腔体也作用于保持膜的内部表面干净，以使得光从表面的反射维持一致。另外，在被密封的腔体的情况下，传感器膜的运动能够被认为是完全由膜外表面处的气流变化引起，以使得传感器能够准确地监测状况。在某些情况下，腔体可以被除空气之外的气体填充，比如惰性气体、例如氮。

本发明还提供了包括光学传感器系统的风力涡轮机，所述光学传感器系统包括：如上所述的多个光学传感器；和也如上所述的处理器，其用于接收来自一个或多个光学传感器的光检测器的输出，并且从所述输出确定传感器膜的移位。本发明中使用的系统可以包括单一光学传感器，但更优选包括多个光学传感器。这允许监测风力涡轮机部件上的数个不同位置处的气流或振动，从而提供了用于更精密传感器系统中的信息。

优选地，本发明中使用的传感器系统还包括存储器，所述存储器用于记录在预先设定时间段内来自一个或多个传感器的光检测器的输出，其中，处理器分析被记录的输出，以确定所述时间段内的风力涡轮机的状况。“状况”可以是部件自身的状况（比如冰或泥土的累积），或可以是部件处的环境情况的状况（比如气流）。存储器的潜在用途的特定实施例在下文中相关于本发明的不同方面被描述。

本发明中使用的传感器系统还可包括至少包含光源和光检测器在内的电绝缘壳体。这允许传感器系统的易受例如来自闪电或电设备中的杂散电流放电损坏的部件被保护。传感器系统的光学而非金属和机械的元件能够被部署在风力涡轮机的易受放电影响的位置，比如在风力涡轮机的外部上、尤其在风力涡轮机叶片上，或在靠近比如发电机的电学部件的机舱中。

被描述的传感器系统在根据本发明的风力涡轮机中具有多个潜在应用。在本发明的第一方面，传感器系统适于在监测风力涡轮机部件的表面处的气流中使用，其中，传感器膜被操作性地安装在风力涡轮机部件的表面处，以监测越过表面的气流，并且处理器从光检测器的输出确定越过传感器膜的气流类型。特别地，根据本发明的第一方面，风力涡轮机的传感器系统可以适于操作性地检测风力涡轮机部件的表面处的湍流气流，其中，处理器分析在预先设定时间段内在光检测器处的被接收的光的波长变化，以确定在传感器膜上方的气流是否是湍流。

根据本发明的第一方面的风力涡轮机的传感器系统在监测风力涡轮机叶片的表面处的气流状况和检测越过叶片表面的湍流气流方面找到特定应用。

在某些实施方式中，叶片表面处的气流能够被监测，以间接监测叶片的表面状况。叶片状况的变化（比如例如由于腐蚀或侵蚀而产生的叶片表面恶化、或比如泥土或冰的物质累积）将显著影响越过叶片表面的气流。例如，泥土累积可以随着在表面处测出的湍流的逐渐增加证明它的存在。冰累积可在增加湍流方面具有相同效果但将更加快速地在多个小时内看到影响。在叶片上积累的物质的特性因此也可以从传感器的输出推出。优选地，用于监测叶片表面状况的这种系统包括在叶片的迎风面和背风面上的多个光学传感器，以获得完整的传感器检测区。

类似的传感器系统被优选包括在风力涡轮机的每个叶片上。如果需要，来自叶片的不同系统可以被连接到共用处理器。这使得处理器能够将来自一个叶片的不同光学传感器的输出与另一叶片的相应输出相比较。处理器继而能够指示叶片是否被正确地安装和操作，并且能够比较不同叶片的状况。

优选地，在根据本发明的第一方面的用于监测叶片表面状况的风力涡轮机的传感器系统中，光学传感器分别被设置在传感器壳体中，所述传感器壳体具有限定出腔体的壁，光源和光检测器被容纳在所述腔体中。传感器此时被安装在叶片中，以使得传感器膜将腔体与外侧空气分开，并且使得膜接触越过叶片表面的气流。

优选地，传感器膜和叶片表面被布置成使得二者形成光滑连续的叶片表面。这确保传感器膜的存在不会影响叶片的空气动力特性，并且也防止引入可能影响气流型式的在叶片表面处的障碍。如果需要，膜可以被涂覆为与周围部件表面相同的颜色，以确保风力涡轮机的视觉外观不被损害。

在一些操作状况下，越过叶片的表面的气流会是层流，从而很少干扰或不干扰传感器膜。例如由失速或在叶片表面处的物质的累积引起的湍流气流将引起突然的和不能预知的膜运动、以及被反射回到光检测器的光的波长的关联变化。

处理器可以从多个光学传感器中的每个连续或周期地读取信息，所述读取信息可以被记录在存储器中，以形成叶片上方的气流变化的时间日志。处理器可以基于传感器输出相较于过去输出的变化确定叶片表面状况。这允许过去输出用作参考，以与正在获取的瞬时或当前读取信息相比较。这种比较信息可以被用于确定指示部件的问题的大的气流变化。可替代地或补充地，来自光学传感器的信息可以被用于监测风力涡轮机叶片的性能，也使得风力涡轮机叶片的空气动力特性（比如叶片形状）能够被持续改进和开发。

在本发明的第二方面中，传感器系统适于在叶片控制系统中使用。叶片控制系统包括：如上所述的与本发明的第一方面相关的传感器系统，以检测叶片表面处的湍流；和控制器，其用于接收来自传感器系统的处理器的数据，且基于对气流状态的检测控制转子叶片的空气动力参数。

根据本发明的第二方面的风力涡轮机的系统允许叶片与气流的空气动力学上的相互作用被实时地监测，并且允许叶片基于湍流的度量按需要调整。

在根据本发明的第二方面的风力涡轮机的某些优选实施方式中，用于控制的空气动力参数是风力涡轮机叶片的桨距角。控制器优选控制叶片的桨距，以最小化叶片表面处的湍流和最大化风力涡轮机的输出功率。这提供了基于风力涡轮机叶片的即时空气动力状况的响应且精密调整的转子叶片桨距控制机理。

如上有关本发明的第一方面所述，在风力涡轮机的正常操作状况下，越过叶片表面的气流是层流，从而很少干扰或不干扰传感器膜。由叶片的桨距引起的引发类似失速状况的湍流气流将引起突然的和不能预知的膜运动、以及被检测的光的波长的关联变化。

为了检测在叶片的桨距角太大的情况下的类似失速的状况，光学传感器优选相比于其它区域更多数量地定位在叶片的吸力面上，且更优选相比于其它区域更多数量地定位成朝向叶片的吸力侧的后缘。

在可替代的实施方式中，用于控制的空气动力参数是叶片形状或经过叶片的气流。提供合适机构以在空气动力学上改变叶片形状或调整经过叶片的气流能够基于被检测的状况操作，以确保操作状况在可能的情况下根据预先设定的期望值或范围被维持。用于在空气动力学上调整叶片形状的已知技术包括例如铰接翼片（hinged flap）、微型小插片（microtab）、表面槽或肋、凹进或凸起的表面隆起、以及叶片内的填充有流体的腔体或空腔。

在本发明的第三方面，传感器系统适于用作用于监测风力涡轮机部件的振动程度以检测异常操作状况的振动传感器系统。例如，在某些优选实施方式中，传感器系统可适于代替加速计，所述加速计当前用于通过监测部件的表面上的振动监测机舱内的部件（比如发电机）的健康情况。在发电机的情况下，当故障正在发展或已经形成时，发电机已经被发现具有与正常操作期间频率不同的振动频率。通过检测和分析发电机的表面处的振动，危害操作的问题能够在损坏发生之前被识别。

传感器系统尤其适于在用于机舱内的风力涡轮机部件（比如发电机或变速箱）的状况监测系统中应用，原因在于所述系统大多由光学元件形成，所述光学元件不受机舱内的重型设备产生的电场或磁场影响。

在其它实施方式中，如在根据本发明的第三方面的风力涡轮机中使用的振动传感器系统可以被用于监测由于操作期间的风力载荷产生的风力涡轮机部件（比如风力涡轮机叶片或塔架）中的振动程度。过度的振动程度会减少风力涡轮机部件的寿命，并且在一些情况下会引起部件损坏。因此重要的是监测振动程度，以使得风力涡轮机的操作参数能够响应于检测到阈值之上的振动程度被控制。例如，风力涡轮机叶片的桨距角可以是被控制以减小振动，或风力涡轮机可以是临时关掉。此外，振动传感器系统可以被用于检测风力涡轮机叶片的谐振频率的变化，所述变化可以指示叶片已经被损坏或覆盖有冰或其它物质。

在与上述第三方面相关的本发明的第四方面，传感器系统被用作麦克风，以监测从风力涡轮机部件发射的声音，从而检测异常的操作状况。例如，在某些优选实施方式中，传感器系统可以适于代替麦克风，所述麦克风当前用于通过监测从部件发射的声音或声波监测机舱内的部件（比如发电机）的健康状况。在发电机的情况下，当故障正在发展或已经形成时，发电机已经被发现发射与正常操作期间发射的声音不同的声音。在简单的情况下，特定声音可以指示轴承被损坏。通过检测和分析发电机的声音的谱，危害操作的问题能够在损坏发生之前被识别。

在类似的方式下，传感器系统可以用作麦克风，以监测来自其它风力涡轮机部件的噪音或声音，所述其它风力涡轮机部件包括：例如变速箱；轴承，比如主轴承或叶片轴承；齿轮，比如偏转齿轮；或叶片。传感器系统可以例如通过选择用于形成传感器膜的材料的类型、传感器膜的张力和/或光学色散元件的类型根据待监测的声音频率被调整。

由风力涡轮机部件产生的声音的频率和/或幅度能够通过监测传感器系统中的传感器膜的运动频率和幅度直接被监测。对于任何特定部件，与特定类型的损坏或故障关联的频率或幅度将被得知，并且由部件产生的声音的频率或幅度相对于正常程度朝向指示损坏的程度的任何变化能够被立即识别。然后可以采取必要措施以避免或减小进一步的损坏、或替换或维修部件。

在本发明的第三和第四方面，使用包括没有电子器件的光学麦克风类型在内的传感器系统时尤其有利的，因为传感器系统并不敏感于EMC干扰。另外，因为传感器系统不需要使用导电部件，因此所述传感器系统能够被安全地安装在风力涡轮机叶片中而不会增加被雷击损坏叶片的危险性。

根据本发明的风力涡轮机可以包括如上所述的一个或多个传感器系统。不同的传感器系统可以被用于监测不同的风力涡轮机部件和/或不同的状况。

在根据本发明的风力涡轮机的一个优选实施方式中，传感器系统被操作性地安装到每个风力涡轮机叶片上，以使得传感器膜与叶片的表面成一体。所述系统能够如上所述地适于监测湍流或振动。

本发明还提供了一种包括一个或多个传感器的光学传感器系统，每个传感器包括：反射性传感器膜；光源，其用于照射传感器膜的表面；光学色散元件，其布置为使来自光源的光束色散，以产生色散光束；以及光检测器，其用于在光束从传感器膜的表面反射之后和通过光学色散元件完成光束的散射之后接收光束的一部分，其中，在光检测器处被接收的光的波长根据传感器膜的移位改变，并且其中光检测器操作性地提供基于被接收的光的波长变化的输出。如上所述，光学色散元件可以被定位在光源和传感器膜之间、定位在传感器膜本身上、或传感器膜和光检测器之间。

附图说明

现在仅以示例性方式且参考附图进一步描述本发明，其中：

图1示出风力涡轮机；

图2是图1的涡轮机的风力涡轮机叶片的纵向正视图，示出湍流传感器系统中的光学传感器的一种实施例布置方式；

图3示出根据上述第一实施方式的风力涡轮机的光学传感器系统的一个实施例；

图4提供图3的光学传感器的用于检测传感器膜运动的功能的示意图；

图5示出根据上述第二实施方式的风力涡轮机的光学传感器系统的一个实施例；

图6示出根据上述第三实施方式的风力涡轮机的光学传感器系统的一个实施例；以及

图7示出根据本发明的光学传感器系统在监测风力涡轮发电机中的应用。

具体实施方式

图1示出根据本发明的包括风力涡轮机塔架2的风力涡轮机1，风力涡轮机机舱3被安装在所述风力涡轮机塔架上。包括三个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4被安装在轮毂6上。轮毂6通过从机舱前部延伸的低速轴（未示出）被连接到机舱3。图1的风力涡轮机可以是旨在家用或轻型用途的小型号，或可以是大型号、比如那些适于在在风电场上大规模产电中使用的风力涡轮机。在后一种情况下，转子的直径可以大到100米或更多。

每个风力涡轮机叶片5包括传感器系统10，所述传感器系统包括沿叶片间隔开的多个湍流传感器12，如示出叶片5的背风面的视图的图2所示。如以下更加详细描述地，湍流传感器12沿叶片5的表面在多个位置处布置。虽然在一些实施方式中传感器可以横跨叶片表面设置在等距间隔开的位置处，但是在实践中，如果这些传感器布置成沿叶片的纵向和横向方向至少有一些覆盖，那也是充分的。在图2所示的实施例中，传感器被设置为沿叶片长度布置的一个线性阵列、以及沿叶片长度间隔开和横跨叶片延伸的多个横向线性阵列，以使得传感器被设置在迎风面和背风面两者上。

在图2中，传感器被示出为大体等距间隔开，因为这将允许有关整个叶片表面周围的气流的数据被收集到。然而，将被理解的是，为了检测类似失速（stall-like）的状况，最关注的区域是叶片的背风后侧，并且因此更多的传感器可被安装在该区域。

图3示出构成图2中示出的传感器系统10的传感器12之一，其中，传感器被示出为在原位集成于风力涡轮机1的叶片5之一。每个传感器12包括传感器壳体14，所述传感器壳体限定出包含传感器装置的腔体16。传感器壳体的一个表面设有传感器膜18，所述传感器膜被安装在叶片表面处，以使得膜18将腔体16与外侧空气分离，并且使得膜18接触在叶片5表面处的气流。腔体通过传感器壳体14的壁和传感器膜18整体封离于外界环境。如果需要，腔体16可以填充有惰性气体。

传感器膜18被布置为使得其与叶片5的外表面形成光滑连续表面。膜18还被布置为使得其易受在风力涡轮机叶片的表面处的气流变化的影响。传感器膜18的厚度在0.5和2mm之间，并且膜被张紧以使得在叶片表面处的湍流气流将仅引起传感器膜18的小幅运动。

传感器12还包括指向膜18的光源20，以使得光相对于表面以锐角入射到传感器膜的内表面上，例如，所述锐角的角度为约45度。光源20包括在传感器壳体14外侧设置的发光二极管22，所述发光二极管被连接到安装在传感器壳体14内的光纤24，以使得从光纤24的裸露端发射的光指向传感器膜18。发光二极管22发射单一光束28a，所述光束的波长范围在大约1500nm和1505nm之间。

棱镜元件26被安装在光纤24的端部的前方，以使得来自光纤24的光束28a穿过棱镜元件26并且被棱镜元件26分解成形成具有色散角度α的色散光束28b，在所述色散光束中，不同波长的光束28a以稍微不同的角度折射。因此，每个不同波长的光以稍微不同的位置入射到传感器膜18的内表面上。虚线表示色散光束这样的一部分，所述一部分以最高强度照射到光检测器且在该情况下波长表示膜的零移位或未移位状态。

将被理解的是，图3中的示图是示意性的且并非按比例绘制。在现实中，棱镜元件26可能实现每角度50和100nm之间的光学色散，以使得色散光束28b的色散角度α将明显小于图3中示意性示出的色散角度。

传感器12还包括光检测器30，所述光检测器被定位在传感器壳体14内，以接收从传感器膜18反射回来的光。光检测器30包括光纤32，所述光纤被安装成使得一部分反射光束指向光纤32的裸露端。光纤32的相反端被连接到远离传感器壳体14的处理器（未示出）。被接收光沿着光纤32传递到处理器，在处理器处被接收光被WDM系统分解成不同波长的信号，并且不同波长的光束均被传送到PIN二极管，所述PIN二极管检测光束的强度或幅度，并且将信号输出到差分放大器。处理器通过使用合适的数学处理技术分析幅度，并且检测不同波长的光束的幅度变化，所述变化指示传感器膜的位置变化。处理器包括存储器，所述存储器用于存储被记录的幅度或强度变化型式。

如图3所示且如上所述，入射到传感器膜表面上的光的形式是色散光束28b，以使得每个波长的光以稍微不同角度在表面处入射。因此，每个波长的光也以稍微不同的角度从传感器膜表面反射离开，并且反射光束28c将也被色散。光检测器的光纤32被安装成使得其仅接收一部分被色散的反射光束，所述一部分被色散的反射光束对应于色散光束28c内的波长的整体范围的一个子区间。在传感器膜18的静止位置处，被接收光的平均波长是λ₁。

如同从图3能够被容易地确定的，在由于在叶片表面处的气流或振动而使膜运动时，传感器膜18的内表面朝向或远离从光检测器30移动，这继而导致反射光束28c相对于光检测器的位置的些许偏移。特别地，光束28b入射的传感器膜表面区域和光检测器30之间的角度被偏移。在图4中示出简化实例，其中传感器膜相对于叶片表面以距离d向上移动（被移位的传感器膜的位置以虚线示出）。

能够看出由于传感器膜的移位，不同部分的被色散的反射光束28c入射到光检测器30的光纤32的端部。随着传感器膜从其原始位置移动到示出的被移位位置，与传感器膜的静止位置对应的第一波长λ₁的被接收光的强度将因此减小，而第二波长λ₂的被接收光的强度将增加。

相对于时间t，处理器检测所述波长的被接收光的强度的变化，且由此能够计算传感器膜已经移动的距离d。通过记录传感器膜移位的型式，可以检测例如叶片表面处的气流何时从层流变成湍流。处理器将信号传送到控制器，所述控制器能够基于测出的湍流控制风力涡轮机的一个或多个操作参数，比如风力涡轮机叶片的桨距。在湍流指示出叶片上的泥土或冰积聚的某些情况下，控制器可能临时关闭涡轮机，以使得叶片能够被修复或再修整，或防止叶片被进一步损坏。参考图4，传感器膜的位移d如何与被接收光的波长变化相关的一个简单实例在以下给出。

为了简明起见，在图4中，仅示出在光检测器处接收的波长λ₁和λ₂的光束。对于虚线示出的当传感器膜处于静止位置时在光检测器处被接收的波长λ₁的光束，从棱镜元件26到膜18的竖直距离y等于棱镜元件26和膜18上的光束照射到表面处的点之间水平距离x。这意味着波长λ₁的光以45度的角度β照射到传感器膜18的表面。

当传感器膜以距离d相对于静止位置向上移动时，从棱镜元件26到膜18的竖直距离将增加到（y+d）。以高强度在这次运动之后在光检测器处被接收的波长λ₂的光束以角度β’照射到传感器膜的表面，其中：

${\tan \mathrm{\β}}^{,}=\frac{y+d}{y}$

一旦角度β’已经被确定，光的波长变化能够基于角度变化（β’-β）乘以光束每角度的光学色散度被算出。例如，在膜以d=1微米和y=1mm向上移动的情况下，角度变化（β’-β）能被算出为0.029度。对于每角度100nm的光学色散度，这对应于2.9nm的波长变化（λ₂-λ₁）。因此，对于该特定布置方式，膜运动和被测量出的波长的变化之间的关系是每微米运动2.9nm。因此，被测量出的波长的1pm（微微米）的变化代表345pm的运动。

以此类推，能够为光检测器和光源的其它布置方式容易地执行类似的计算。

或简单地，λ₁刚改变成不同波长，膜的移位便被检测到。对量化移位的需要可能用以确定湍流的严重性或对叶片的损坏、或区分膜上的外部影响的不同状态、或只是为了确定某个阈值是否已经达到。图5示出传感器112，除了衍射光栅126被设置在传感器膜118的表面处的限定区域中以代替图3中的棱镜元件26之外，所述传感器具有与图3示出和上述类似的布置方式。光束128a从光源20入射在传感器膜118的表面处的衍射光栅126上。随着光束照射到衍射光栅126，所述光束将从光栅反射回来，同时被分解成形成具有色散角度α的色散光束128b，在所述色散光束中，不同波长的光束以稍微不同角度被折射。因此，每个不同波长的光沿朝向光检测器30的稍微不同的方向从传感器膜118反射回来。

随着传感器膜朝向或远离光检测器30移动，光束128a照射到衍射光栅126的位置将稍微偏移，并且被反射的色散光束128b相对于光检测器30的位置将有相应偏移。因为光检测器30的位置被固定，所以到达光检测器30的光的波长将取决于传感器膜118的位置。

一种简化实例在图5中示出，其中传感器膜118相对于叶片表面向上移动距离d（被移位的传感器膜的位置以虚线示出）。

能够看出由于传感器膜的移位，不同部分的被色散的反射光束128b入射到光检测器30的光纤32的端部。随着传感器膜118从其原始位置移动到示出的被移位位置，对应于传感器膜的静止位置的第一波长λ₁（实线）的被接收光的强度将因此降低，而第二波长λ₂（虚线）的被接收光的强度将增加。如上关于图4所述，这种被测量出的光的波长的变化能够被用于计算膜运动。

图6示出传感器212，除了棱镜元件226被设置在传感器膜218和光检测器30之间以代替图3中的棱镜元件26之外，所述传感器具有与图3中示出和上述类似的布置方式。非色散光束228a从光源20入射到传感器膜218的表面上，且被传感器膜218反射成非色散的反射光束228b。反射光束228b然后穿过棱镜元件226，并且被棱镜元件226分解成形成具有色散角度α的色散光束228c，在所述色散光束中，不同波长的光束28a以稍微的不同角度折射。虚线指示色散光束这样的一部分，所述一部分以最高强度照射到光检测器且在该情况下波长表示膜的零移位或未移位状态。

随着传感器膜218朝向或远离光源20移动，反射光束228b照射到棱镜元件226的位置和/或角度将稍微偏移，并且色散光束228c相对于光检测器30的角度和位置将有相应的偏移。因为光检测器30的位置被固定，所以到达光检测器30的光的波长将取决于传感器膜218的位置。例如，随着传感器膜228远离光源20移动，第一波长λ₁的被接收光的强度将增加，而第二波长λ₂的被接收光的强度将降低。相反的情况将随着传感器膜228朝向光源20移动而发生。如上关于图4所述，被测量出的光的这种波长变化能够通过使用简单的三角学方法用于计算膜运动。

图7示意性示出使用如上所述的传感器在监测由风力涡轮机变速箱产生的声音中的应用。这种布置方式根据如上所述的本发明的第四方面。图7示意性示出风力涡轮机机舱内的部件，包括通过变速箱314联接到发电机312的主轴310。包括如上所述的传感器的光学麦克风316在远离变速箱314的表面一段距离处被安装在内机舱壳体的一部分上。光学麦克风316被安装成使得传感器的传感器膜接收在涡轮机操作期间由变速箱314产生的声波。如所示，光学麦克风316被连接到提供传感器的光源和光检测器的一种配置的光纤318。

在操作期间由变速箱314产生的声波引起光学麦克风中的传感器的传感器膜的振动。通过使用上述波长技术监测传感器膜随时间的运动，可以确定被测量出的声音的频率和幅度。声音的频率和幅度随时间被监测，以使得可指示变速箱314或其部件的损坏或故障的声音特征曲线的任何变化可以被立即识别。在这种损害或故障被识别的情况下，风力涡轮机能够被关掉以使得必要的维修能够在变速箱314上执行。

Claims (23)

1.一种包括光学传感器系统的风力涡轮机，所述光学传感器系统包括一个或多个传感器，每个传感器包括：

反射性传感器膜；

光源，其用于利用光束照射传感器膜的表面；

光学色散元件，其设置为使来自光源的光束色散以产生色散光束；以及

光检测器，其用于在光束从传感器膜的表面反射之后和通过光学色散元件完成光束的色散之后接收光束的一部分，其中，在光检测器处被接收的光的波长根据传感器膜的移位改变，并且光检测器操作性地提供基于被接收光的波长的变化的输出，

其中，风力涡轮机还包括控制器，所述控制器用于接收来自传感器系统的数据和基于被接收的数据控制风力涡轮机的操作参数。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，光学色散元件被设置在光源和传感器膜之间，以使得传感器膜的表面被色散光束照射。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，光学色散元件被设置在传感器膜的表面处，以使得色散光束从所述表面反射。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，光学色散元件被设置在传感器膜和光检测器之间，以使得被反射的光束被色散。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，光源发射具有小于10nm的波长范围的光束。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，光源发射具有1500nm至1505nm的波长范围的光束。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，传感器的光学色散元件是将光束中的各波长的光分离以提供色散光束的棱镜或衍射光栅。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，传感器的光学色散元件是衍射光栅、全息光栅或随角异色过滤器。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，传感器的光源是发光二极管。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，传感器的光检测器包括一个或多个光纤。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，光检测器包括将被接收的光根据波长分解的WDM（波分复用）系统。

12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统的光源和光检测器被操作性地设置在风力涡轮机叶片部件内的传感器腔体中，并且传感器膜覆盖腔体的至少一部分。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统包括：多个光学传感器；和处理器，其用于接收来自所述多个光学传感器的光检测器的输出，并且根据在光检测器处接收的光的强度和波长由所述输出确定传感器膜的移位。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统还包括存储器，所述存储器用于记录在预先设定时间段内来自所述多个光学传感器的光检测器的输出，其中，处理器分析被记录的输出，以确定风力涡轮机在所述时间段内的状况。

15.根据权利要求13或14所述的风力涡轮机，还包括控制器，所述控制器用于接收来自处理器的数据且基于被接收的数据控制风力涡轮机的空气动力参数。

16.根据权利要求13、14或15所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统适于操作性地监测在风力涡轮机部件的表面处的气流，其中，传感器膜被操作性地安装在风力涡轮机部件的表面处，以监测越过表面的气流，其中，处理器从光检测器的输出确定越过传感器膜的气流的类型。

17.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统适于操作性地检测在风力涡轮机部件的表面处的湍流气流，其中，处理器分析在预先设定时间段内在光检测器处的被接收的光的波长变化，以确定在传感器膜上方的气流是否是湍流。

18.根据权利要求17所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统形成叶片控制系统的一部分，并且控制器操作性地接收来自传感器系统的处理器的数据，并且基于对湍流气流的检测控制叶片的空气动力参数。

19.根据权利要求1至15中任一项所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统被安装在风力涡轮机部件的表面处，并且适于操作性地检测风力涡轮机部件的振动。

20.根据权利要求1至15中任一项所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统适于提供用于操作性地监测由风力涡轮机部件产生的声音的光学麦克风，以使得光学麦克风被调成能检测限定频率范围内的声波，其中，所述限定频率范围根据待监测的风力涡轮机部件的类型改变。

21.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，光学传感器系统被操作性地安装到风力涡轮机叶片上，以使得传感器膜与叶片表面成一体。

22.一种用于风力涡轮机的光学传感器系统，所述传感器系统具有一个或多个光学传感器，每个传感器包括：

反射性传感器膜；

光源，其用于照射传感器膜的表面；

光学色散元件，其设置成使来自光源的光束色散以产生色散光束；以及

光检测器，其用于在光束从传感器膜的表面反射之后和通过光学色散元件完成光束的色散之后接收光束的一部分，其中，在光检测器处被接收的光的波长根据传感器膜的移位改变，并且光检测器操作性地提供基于被接收的光的波长变化的输出。

23.一种根据权利要求22所述的光学传感器系统的用途，所述光学传感器系统用在风力涡轮机上，以基于风力涡轮机控制器从光学传感器系统接收的数据控制风力涡轮机的操作参数。

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