CN103635812A - 风力涡轮机光学风传感器 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种风力涡轮机光学风传感器10，安装在风力涡轮机的转子4上，或者在叶片5上或者在轮毂5上。所述传感器包括多个光源，每一个都产生由至少两个单独的平行分量传感器光束组成的对应传感器光束。将风中携带的进入至少两个分量传感器光束中的颗粒物质的通过时间用于提供风速和/或垂直风速分量的指示中的一个或多个。从传感器接收的数据可以用于风力涡轮机的操作的控制过程中，特别是用于在例如检测到垂直阵风的不利风条件下暂时俯仰转子叶片。

Description

风力涡轮机光学风传感器

技术领域

本发明涉及风能发电厂，具体地，涉及风力涡轮机光学风传感器。

背景技术

图1示出诸如风力涡轮机1的风能发电厂。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔2，在其上安装风力涡轮机机舱3。包括至少一个风力涡轮叶片5的风力涡轮转子4安装在轮毂6上。轮毂6通过从机舱前面延伸的低速轴（未示出）连接到机舱3。图1中示出的风力涡轮机可以是意图用于家庭或轻型用途的小型模型，或者可以是大型模型，诸如适合于在例如风力电场上大规模发电中使用的那些。在后一情况下，转子的直径可以达到100米或以上。

为了安全且有效地从风中提取能量，许多风力涡轮机包括风速计或风传感器，其提供与入射风速和方向有关的信息。这种信息对于监控在现场可获得的风量以用于产能目的以及控制都是有用的。获知风向可实现风力涡轮机机舱的偏转角的调整，以使得转子叶片在产能的时间过程中完全面对入射风。此外，获知风速可实现转子叶片的俯仰（pitch）的调整，以便可以仔细控制从入射风中提取的能量的量，以满足需要并满足其它运行参数。例如常常有必要使得风力涡轮机转子叶片的平面与风成角度，或者调整转子叶片的俯仰以漏过风，以避免与风速过高相关联的结构问题或电气过载。

因此，与风速和风向有关的准确信息是诸如SCADA系统的风力涡轮机控制和监控系统中至关重要的输入。

风力涡轮机风传感器部署于其中的运行环境会是严酷的，常常是许多传感器操作困难的主要原因。例如，机械风速计随着在其运动部件上的灰尘和冰的积聚而易于出现故障。而诸如基于LIDAR（光探测及测距）装置的那些基于电或激光的风传感器更能够经受灰尘和冰，它们更易于受到雷击的损害，风力涡轮机由于其高度和位置而经常受到雷击的困扰。基于LIDAR的系统在安装上也相对昂贵。

使用避雷器提供了将来自雷击的能量从灵敏设备引出的一个方式。然而，避雷器并非总是适合于保护传感器设备，由于包括诸如配线和电路的金属部件，传感器设备同样受到放电和感应电流的损害。

另外，许多风力涡轮机都是在假定与风力涡轮机转子叶片相遇的风在转子正面上并在垂直于转子叶片的旋转平面（转子平面）的方向上接近的情况下运行的。然而实际上，由于阵风，风常常在垂直方向上具有相当大的分量。这些会由于大气情况和风向的变化自发地发生，并且有时由于风力涡轮机所在的地形形状而被放大。许多风力涡轮机都具有位于机舱上的风速计，其指示入射风速和方向，或者在转子轮毂上的基于LIDAR的系统，其监控接近涡轮机的阵风。然而这种系统并非设计用于检测以强垂直分量接近涡轮机的阵风。如果没有预先检测到这种阵风，并且如果叶片没有相应地俯仰以使得风的冲击偏转，它们会严重损坏风力涡轮机转子叶片。

因此，意识到需要一种风能发电厂，其具有能够准确提供与入射风有关的信息的传感器，以便于控制和监控，并且尽管有以上提及的难题，它也能够可靠地运行。

发明内容

在要参考的独立权利要求中定义本发明。在从属权利要求中记载了有利的特征。

根据本发明的第一方面，提供一种风力涡轮机光学风传感器，包括：多个光源，安装在风力涡轮机的转子上，以使得在使用中，所述光源围绕转子的旋转轴旋转；其中，每一个光源定位为发出至少具有与转子的旋转轴正交的第一方向光束分量的传感器光束，并且其中，每一个传感器光束由至少两个平行分量传感器光束组成；多个光接收器件，安装在所述转子上，以使得在使用中，所述光源围绕转子的旋转轴旋转；并且其中，所述多个光接收器件定位为使得每一个传感器光束与至少第一对应的光接收器件相关联，以检测来自风中的通过至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁；控制器，耦合到所述多个光接收器件，用于处理检测到的光的闪烁，并确定通过对应的至少两个分量传感器光束的颗粒物质的通过时间，以及基于检测到的通过时间，给出风中的颗粒物质的运动速度和/或方向中的一个或多个的指示。

由于传感器位于风力涡轮机转子上，其可以用于检测转子叶片处的风速和风向的瞬时变化，并允许控制器采取即时的动作，以确保叶片的安全运行。

在一个实施例中，至少两个传感器光束具有第二方向光束分量，其平行于转子的旋转轴；并且其中，所述控制器被配置为：根据对应的分量传感器光束的闪烁，确定通过所述至少两个传感器光束中的每一个传感器光束的颗粒物质的通过时间；比较每一个传感器光束对应的通过时间；以及针对风向确定垂直速度分量的指示。

以此方式，控制器可以检测会损害叶片的垂直方向的阵风。

有利地，所述控制器被配置为确定风的垂直速度分量的指示是否高于阈值水平，并发出警报信号。

所述控制器还可以被配置为确定风的垂直速度分量的指示是否高于阈值水平，如果是，则使得风力涡轮机叶片俯仰以漏过风。

在一个实施例中，所述传感器包括取向传感器，用于确定轮毂、或者一个或多个叶片的取向，并且其中，所述控制器针对每一个检测到的通过时间，记录检测到闪烁时的传感器光束的取向。这实现传感器更可靠地运行。

在一个实施例中，所述光源安装在转子叶片上，以使得所述传感器光束投射到叶片的纵向方向上和叶片的前面；并且其中，光检测器位于转子叶片上，与对应的光源相邻并定位为检测来自风中的通过所述至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁。

以此方式，将传感器定位在它们提供的数据最能够表明转子叶片的运行情况的位置。

传感器光束以相对于水平轴10到80度之间的角度投射在转子叶片的前面。更优选地，传感器光束以相对于水平轴30到60度之间的角度投射在转子叶片的前面。这确保了检测到的光的闪烁中良好的信噪比。

多个光源和光检测器可以位于每一个转子叶片上。通过在叶片上安装传感器，传感器可以用于检测横跨转子叶片的整个半径的风速的垂直分量。

在进一步的实施例中，光源和光接收器件安装在转子轮毂上。其优点在于易于安装和维护，并且意味着传感器的操作与叶片的俯仰运动无关。

一个或多个光源和光检测器可以安装在从转子轮毂突出的杆上。这允许适当地容纳传感器系统，而无需考虑轮毂尺寸。杆可以在转子轮毂前面突出，并且安装为与转子轮毂的旋转轴同轴旋转。

在这一布置中，顺序布置至少两个传感器光束，例如围绕旋转轴隔开180度，因为这使得检测效果最大化。

在一个实施例中，由控制器在延长的时间段中收集指示对于风向的垂直速度分量的数据，并发送到风力涡轮机组操作者。这允许风力涡轮机组或公用设备操作者确定风力涡轮机的位置是否倾向于垂直方向上的阵风。

可替换地，光源可以布置在转子轮毂上，以使得与转子平面平行地投射传感器光束；光接收器件位于转子叶片中。这提供了有优势的风速计，能够测量接近于自由风速的风速。

有利地，至少两个平行分量传感器光束具有相对于彼此不同的光波长，因此反射具有不同的波长。这提供了对通过时间更好的检测，通过检测哪一个光束首先被截断给出了风向的指示。

可替换地，至少两个平行分量传感器光束具有相同的波长，但布置为以不同频率闪烁。

每一个光源可以包括连接到光电子光源的光纤，其中，光电子光源容纳在风力涡轮机的电屏蔽部分中。这确保了传感器可以抗雷击。

此外，光接收器件可以连接到容纳在风力涡轮机的电屏蔽部分中的光电检测器，光接收器件及其到光电检测器的耦合是非电敏感的。这确保了传感器可以抗雷击。

为了构造的经济性，每一个光源的光纤可以连接到相同的光电子光发射器。

还提供了用于控制风力涡轮机光学传感器的相应方法和计算机程序。

附图说明

现在将借助实例并参考附图来更详细地说明本发明的优选实施例，在附图中：

图1是风力涡轮机的示意性外观图；

图2是根据本发明第一示例性实施例的光学风力涡轮机传感器的示意性侧视图；

图3是光学风力涡轮机传感器的详细示意图；

图4是用于图2和3的风传感器中的光电子套件（suite）的示意性图示；

图5是在第一实例中的图3中所示的光源的第一实例的简化图；

图6是示出检测原理的第一图示；

图7是示出检测原理的第二图示；

图8是第二实例中的图4中所示的光源装置的简化图；

图9是示出当从转子平面的前面观察时的光束的方向的简化图；

图10A和10B示出本发明的示例性实施例中传感器光束的布置；

图11A、11B和11C示意性示出从第一和第二实施例中的传感器收集的数据；

图12示出本发明的第二示例性实施例；及

图13示出本发明的第二示例性实施例。

具体实施方式

概括地说，本发明的示例性实施例包括具有光学风传感器的风力涡轮机。传感器容纳在风力涡轮机叶片内，并布置为检测叶片正前面的气流。在可替换的示例性实施例中，传感器可以容纳在位于转子轮毂上的安装杆（bar）中，或者在转子轮毂自身上。从传感器接收的数据可以用于风力涡轮机的运行的控制过程，例如用于确定偏转角或俯仰角，以及用于在尤其是检测到垂直阵风的不利风力条件临时俯仰转子叶片。与包括LIDAR检测系统的系统不同，所提出的系统在实现上相对便宜。

另外，光学风传感器利用一个或多个传感器光束，其包括沿相同传感器轴指向的至少两个独立的分量光束。至少两个平行分量传感器光束可以具有不同的光波长，允许传感器系统检测在风中的物质通过光束并将光反射回光收集器件时首先触发哪一个光束。

第一实施例

现在参考图2、3和4，它们示出本发明的第一示例性实施例。

图2是风力涡轮机光学风传感器的侧视图，其中，检测装置主要容纳在叶片中。图2示出转子轮毂6和在叶片根部5’连接到转子轮毂6的单个叶片5。在这个图示说明中，叶片5在向上位置中垂直延伸，同时为了清楚在图中省略了定位于轮毂6的其他叶片。

转子叶片5包括第一光学风传感器10，其容纳在叶片5的内部中，并包括光源12和光接收器件或检测器14。这些位于叶片的前缘中，或者可替换地在接近于前缘的叶片的受压侧或吸力侧中，以使得来自光源的光在叶片的前面投射到迎面而来的风中。在其他实施例中，传感器可以构造在翅片（fin）中，并在弦向上横跨叶片表面布置，或者逆风观看，布置在附接到叶片表面或构造于其中的容器中。翅片可以与叶片表面一体，或者附接于叶片。应理解，也可以在安装于风力涡轮机叶片上的任何适合形状的容器中提供传感器。

还示出具有相应光源12’和光接收器件14’的第二光学风传感器10’，其从在轮毂6的附接处沿着叶片5的内部更远地定位。按照需要，更多的光学风传感器10”、10’’’（未示出）可以容纳在叶片5中，并从叶片根部向着叶片尖端沿其纵轴定位。传感器10也安装在图2中未示出的其他转子叶片5中。

第一10和第二10’光学风传感器由光纤16和16’连接到光电子设备套件18，在此显示为容纳在转子轮毂6中。这允许单个设备套件18从容纳在多个转子叶片5中的各光学风传感器10收集数据。可替换地，光电子设备套件18可以容纳在机舱3中，或者在分布式实施例中，位于转子叶片5中，其中中央处理器位于诸如轮毂6或机舱3的位置以便于访问。

每一个叶片5都优选地包括连接到控制器18的取向传感器19。取向传感器19提供叶片的纵轴或者叶片尖端所指向的方向，换句话说，在诸如水平或垂直的固定参考轴与从叶片的根部至尖端划出的线之间的角度。在一些实施例中，尽管不是必需的，获知叶片5的角位置对于控制器18利用从光学风传感器10和10’接收的数据是有利的，如以下将说明的。

由于多个不同取向传感器是本领域中已知的，在此将不再详细说明传感器19的操作。

现在将参考图3和4来更详细地说明光学风传感器10。

连接到第一传感器10的光纤16包括分离的光纤161和162。光纤161的一端连接到容纳在光电子设备套件18中的光电子光源180（参见图4），而另一端端接在叶片表面附近，以便形成光源12的发光部件。光电子光源180可以包括连接到光纤161的一个或多个LED、激光器、卤素或金属卤化物源。

由连接到叶片体内部的底座120将光纤161固定在光源12中的适当位置。光源12还包括光学元件122，布置在光纤161的末端前面，用于接收从光纤161输出的光。光学元件122可以包括一个或多个光学棱镜或透镜，以下将结合实例更详细地论述。容纳在轮毂6中的光电子光源180从而将光发射到光纤161的一端中，其随后出现在光源12。从光纤161的末端发出的光由光学元件122分为两束，并经由叶片表面中的孔或开口124显现。光纤161在底座120、光学棱镜和开口124中的布置导致发出的光与叶片表面成一角度而投射到叶片前缘的前面。实践中，发现30到60度的角工作良好，尽管角度也可以在10度到80度的范围中。根据以下论述将理解，以较浅角度布置的传感器通常将导致数据传输时间的较小变化，其是由入射风角度所引起的，并且数据会需要更多的处理以提取风向信号。

光接收器件14优选包括收集透镜142及相关联的光纤162。收集透镜142具有用于捕获光的大孔径，在本文所述的实例中，可以具有1到5cm范围中的尺寸。在其它实现方式中，可以适当地按比例调整透镜的尺寸。

光纤162由底座144固定在叶片5内部，定位光纤162以便它可以接收由透镜142收集的光。可以在收集透镜142与光纤162的末端之间提供附加的聚焦透镜146，以增大由光纤162捕获的光的比例。光纤162耦合到光电子套件18中的光检测器182。

现在将参考图4更详细地说明光电子套件18。光电子设备套件18包括一个或多个光电子发光器件180，和一个或多个光检测器件182。可以改变源180和检测器812各自的数量以适合于安装在叶片5中的光学传感器10的数量。单个发射器和检测器可以用于所有传感器10，用于每一个各自的叶片，或者用于每一个单个的传感器。由以下的论述会清楚，在一些实施例中，光电子光源180被配置为将至少两个波长的光输出到光纤161中，用于在叶片表面发出。

控制器184连接到发光器件180、光检测器件182和叶片取向传感器19，并包括存储器和处理器，在其上存储控制软件，用以控制多个光学风传感器10，并分析结果。

现在将参考图5到13更详细地说明第一风传感器的操作。在这个实施例中，每一个传感器都以相同的方式工作。

在图2和3所示的实例中，每一个光源12都以两个不同波长输出光。通过两条光纤161a和161b在图5中示意性地示出，两条光纤基本上彼此对准，并基本上在相同方向上发出光束。当然，不必使每一个光束都由分离的光纤产生，以下将说明每个光源161仅使用单个光纤（如上所示的）的实例。

将具有各自波长λ1和λ2的两个光束引导到在光检测器14的光收集透镜142前面的一段距离处的光学元件122上，在此情况下是透镜122a，其在焦点区20聚焦每一个光束。典型距离是10到30cm。在此实例中，光束的焦点20的直径在5mm到20mm范围中。

在焦点区20内，每一个光束都具有分离的焦点22和24。使焦点22和24沿传感器轴26排列，在每一个焦点之间具有指定的间隔。例如间隔可以在0.1mm到10mm范围中。

尽管有光束的两个分量聚焦的事实，但为了本论述的目的，在焦点区20处，将它们称为平行光束。这旨在强调两个光束是单一合成传感器光束的单独分量的事实，因此指向基本上相同的方向，并一起用以检测颗粒物质的通过。应理解，例如聚焦光束的效果仅仅有助于在光接收器件14的检测，如果对于操作无害，可以省略聚焦装置122a。在此情况下，未聚焦的分量光束确实可以是平行的，尽管随后在光接收器件的检测会不易实施。在稍后说明的实施例中，不必使得光束聚焦，并且在更严格的意义上光束可以是平行的。

风传感器通过从每一个传感器光束检测光的闪烁来工作，随着风中携带的物质的颗粒通过焦点区20，并将光从每一个光束朝向透镜142反射。假若选择了适合的光波长，正常质量的空气通常包括足够数量的此类物质，可用于检测颗粒的通过。以此方式易于检测到水蒸气、灰尘或花粉的颗粒。

图6示出更详细的原理。图6的左侧示出随颗粒在空气中沿传感器轴26行进（在此情况下是向上的方向）而出现的，在每一个光束的焦点22和24处光的闪烁（以X表示）。假定在两个光束焦点22与24之间的间隔是几毫米，那么在焦点22处的闪烁会略微在焦点24处的闪烁之前发生。假定风速是每秒几十米，则闪烁之间的时间会极低，例如几分之一秒。如果要了解颗粒及携带其的风的速度，最终就需要测量这个通过时间。

借助具有相同波长的两个光束来测量通过时间。然而，如果光束具有不同波长是有利的，因为这有助于检测，并提供与颗粒通过的方向有关的信息。将会更详细地论述。

如果每一个光束的光具有相同的频率或波长，那么实际上从光闪烁可获得的唯一信息将是通过的时间。可以尝试检测首先触发哪一个光束，从而推断颗粒运动的方向，但这需要高分辨率设备和处理，最终导致更大的成本。

在本发明的这个实施例中通过使用不同波长的光束而减轻这些困难。不同波长允许处理设备确定首先触发哪一个光束，不是借助于发生闪烁的空间位置的视觉分析，而是基于闪烁的波长，及闪烁发生的顺序。对于图6的实例中从上向下运动的颗粒，传感器因此会发现波长λ1和λ2的两个闪烁，并可以从顺序λ2、λ1推断进行的方向。

在图7中示出对该实例的些许改进，其中，第三和第四光束也用于检测。在这个实例中，增加的光束具有与第一和第二光束相同的波长，因此可以由一个或多个结合在耦合到光纤161的光学元件122中的分束器来生成。

使用四个光束的优点在于，颗粒的通过由不同波长的四个闪烁来指示，它们在时间上等间隔的出现。这使得颗粒通过的信号比仅有两个闪烁的情况要强，因此更易于与背景噪声区分开。例如，如果四个中的反射光的一个闪烁不如其它的强，或前或后的闪烁的存在（假如这些以正确的时序出现）实现了以一定的确定性来检测颗粒通过，而不考虑漏过或减弱的个别闪烁。仅利用两个闪烁，即使仅缺少一个闪烁的强信号也会在检测中引入大量不确定性。

而且，使用四个光束增大了颗粒必须进行的距离，增大了其通过时间，并从而改善了颗粒速度的测量的精度。假如布置不是对称的并因此可以用于确定方向，则布置光束的顺序并不重要。在此，借助波长将光束分组在一起是优选的，例如图中所示的λ1、λ1、λ2、λ2，因为这使得得到的信号的方向部分更强。当然，按照需要，任何数量的光束都可以用于传感器中。

光束的波长还为传感器信号提供更好的信噪比，因为分离的颗粒通过更易于彼此区分。这是因为每一个通过事件都会表示为在时间上靠近在一起的不同波长的光的两个闪烁。一对闪烁因此标记了每一个通过事件的开始和结束。除了这个区别，所要检测的就是在其他闪烁的背景中的一对光闪烁。于是表示通过事件的这一对闪烁必须简单地基于时序来彼此区分（一对中的两个闪烁之间的时间比相邻对中的两个闪烁之间的时间短）。

图8示出光源装置的第二实例，其在传感器中使用具有不同波长的多个光束的情况下是有利的。光源包括单个光纤161，如以前一样连接到光电子光源180。每一个具有不同的波长的多个不同光束输入到光纤中，并沿其长度作为合成光束发送。在从光纤161出现时，将合成光束引导到包括在光学元件122中的光学棱镜122b处，光学棱镜122b针对每一个其各自的分量波长，将光束分为分离的光束。与以前一样，光学棱镜122b将各个光束引导到光学透镜122a上。使用这个布置，任何数量的不同波长的光束可易于用于传感器中。

现在将更详细地说明由控制器814对来自传感器10的信号的处理。

控制器184周期性地查询在每一个叶片上的光学风传感器10和取向传感器19，从而将穿过传感器光束的每一个颗粒的通过时间读数与具体叶片5相关联，并与表示获得读数时刻的叶片的取向的值相关联。以此方式，随着每一个叶片5围绕转子轮毂6旋转，将连续收集并存储针对每一个旋转角度的不同传感器读数。尽管这个过程对于三个叶片5中的每一个上的传感器可以同时出现，但查询过程可以是并行的，所有传感器10同时发送回到控制器184，或者是串行的，控制器184依次查询每一个传感器。

为了简单，我们现在设想一种情况，风在正面方向上接近风力涡轮机转子6（图2的页面中从左向右），而且三个风力涡轮机叶片是静止的。尽管来自光源12的传感器光束相对于叶片的前缘成角度，但应理解，当从正面方向（从转子轮毂6的前面）观看叶片5时，传感器光束会呈现为与叶片从轮毂6延伸的方向平行，（在图2的实例中）从轮毂略微指向外侧（尽管同样它们可以指向内侧）。因此在转子平面中，由在一个叶片5中的传感器10、10’等产生的传感器光束与在第二转子叶片中的第二传感器的传感器光束成120度的角度（假定三个相等间隔的叶片）。

在转子平面中，因此如图9中所示的，情况是对应于120度的角间隔的三个传感器光束方向。光束实际上会从页面射出（由于将光纤安装在叶片中的角度），在转子叶片前面构成浅锥形。锥形的主要目的是略微在叶片5的前面针对检测的颗粒定位焦点20，以使得安装在叶片中的光接收器件14可以检测到散射的光。

如图10所示，传感器光束相对于转子叶片成角度的事实允许传感器系统检测风是垂直于转子平面的角度，还是以一定角度接近转子叶片。图10A示出风垂直于转子叶片接近，并跨过至少两个转子叶片5的传感器光束（在省略转子轮毂的情况下，在上下半部示出来自两个叶片的传感器光束）的情况。在此情况下，传感器光束相对于垂直方向，或者相对于转子平面的角度假定为45度。

由于叶片取向的旋转对称，当风水平吹时，风中的颗粒物质通过每一个叶片光束所行进的距离是相同的。无论各个叶片5的取向和光束的取向如何，都是如此。各个颗粒通过事件的时间（由在传感器10检测到的不同波长光的闪烁之间所经过的时间来表示），因此对于每一个叶片一般是相同的，而与叶片取向无关。

然而在图10B中，示出风向与转子平面不垂直而成角度的情况。在此情况下，颗粒物质在传感器光束中行进的距离相差极大。通过顶部传感器光束的通过路径较短（因为该通过垂直于光束方向），而对于底部光束的通过时间将长得多，如果其还能够作为通过事件被检测到（其在颗粒物质垂直通过焦点轴26a，并且平行的传感器光束没有依次被适时触发的情况下是不可检测的）。

由在传感器10检测的不同波长的光的闪烁之间所经过的时间来表示各个颗粒物质通过事件的时间，因此对于每一个叶片5会极为不同，这取决于叶片相对于轮毂的取向。通过时间的这一差异表示风以一定角度接近风力涡轮机叶片，该角度与转子平面不垂直，而是与其成一个角度。

结果，对于横跨不同叶片的传感器光束的颗粒物质的通过时间的比较用于给出风速的垂直分量的指示，即与转子叶片的旋转平面平行或者与转子的旋转轴垂直的分量。相似的通过时间的值表示没有显著的垂直分量，而不同时间表示显著的垂直分量以及对于转子的可能危害。

控制器184因此监控从安装在不同转子叶片5上的传感器接收的通过时间信号，并根据通过时间分布来确定垂直风分量的指示。图11A、B和C示出用于上述情况的不同分布。在图11A中，从每一个传感器10和每一个叶片5收集通过时间，并如所示的相对于叶片取向绘制在图上。为了举例说明，将0度的取向假定为对应于风力涡轮叶片5直接指向向上的情况。

图11A中所示的平坦分布表示风向主要垂直于转子平面，或者平行于旋转轴。另一方面，图11B示出风与转子平面成角度的情况，风在向上方向上吹，（如图10B的）风没有与风力涡轮机转子正面相遇，而是从轮毂下面而来。在此情况下，由叶片5上的传感器10指示的通过时间在其处于垂直向上位置时较小（小于图11A中的），因为风向沿着或接近垂直于传感器光束方向的直线，从而以最短路径切断传感器光束。然而，另一取向的叶片5上的传感器的通过时间较长，因为传感器光束离开垂直于风向的角，并进入平行于风向的方向。当叶片指向垂直向下时（正负180度的方向），通过时间基本上无限，或者实际上不可检测。

如果风来自图10B所示的相反方向上，即来自风力涡轮机轮毂的顶部并向下成一定角度，那么通过时间的分布将如图10C所示的。

如上所述，控制器814使用通过时间信息来确定风相对于垂直轴的方向。在这个方向上的阵风会造成问题，因为它们可以会损害风力涡轮机和风力涡轮叶片。通过检测风何时偏离水平轴（图10A），其在垂直方向上具有显著的分量，控制器可以发出警报信号，使风力涡轮机采取措施来保护自身，例如调整叶片俯仰以漏过风，或者采取降低涡轮机上的输出量，即因此载荷的另一种方式。

风向的改变会在从小于一秒到几秒的时间段中非常迅速地发生。风力涡轮叶片的旋转速度比这些变化慢得多，接近每分钟5到20次。尽管叶片会至少耗费三秒来进行完整的旋转，但三个叶片仅会耗费一秒（以高旋转速度）扫过转子的完整360度。为此，实践中，如果控制器184将其分析基于从叶片5连续收集的通过时间是有利的。

除了这一检测技术以外，控制器184可以收集并分析在较长时间段中收集的通过时间数据，以获得平均风向数据。这不会检测到可导致涡轮机受损的阵风，但可以针对任何给定风力涡轮机指示是否存在风从位于水平轴之外的方向与转子相遇的倾向，并因此将指示风力涡轮机是否可能被置于显著的应变下，该显著的应变会减小其工作寿命。来自控制器184的这种信息随后被发送到风力涡轮机组或公用设备操作者用于分析并记录。

可以以每个风力涡轮叶片5仅有单个传感器10来实现控制器184检测偏离水平轴风向的操作，如以下在可替换的实施例中论述的，或者以每个叶片多个传感器10来实现。然而，将多个传感器沿叶片的纵轴布置允许控制器184在转子的整个扫描中以距离轮毂测量的不同半径来检测垂直风力分量。这使得在检测到强垂直取向风向时的控制器的警报指示更灵敏。例如，在叶片根部和轮毂6附近检测到的风的强垂直分量比在叶片尖端附近的风的强垂直分量造成的问题小，在叶片尖端情况下造成叶片气动变形并更易弯曲，如果变形过大会撞击机塔。

此外，尽管在以上实例中，由控制器将颗粒物质进入光束的通过时间事件与传感器光束各自的取向（或者在叶片上，或者稍后如参考第二实施例所述的在轮毂上）一起进行记录，但取向的检测不是必需的，在可替换的实施例中可以省略。显然，即使没有取向传感器信息，图11中所示的曲线也可以随着从每一个传感器接收的数据的时间序列而产生，并随着传感器光束旋转总体上呈现周期性。控制器因此在其传感器光束数据的比较中仍可以使用这个信息，并检测出现的偏转误差。但取向传感器19的使用通常是优选的，因为其实现传感器相对即时的操作，不必在延长的时间段中累积数据。

现将参考图12和13来说明本发明的进一步的示例性实施例。

第二实施例

图12示出本发明的实例，其中，光发射器12和光检测器14安装在连接到轮毂6的杆7中。杆按照在轮毂的正面上，以便随着轮毂6旋转，杆7同轴并围绕其纵轴及转子4的旋转轴旋转。多个光发射器12位于杆中，并从杆并与其纵轴成角度地发出各自的分量传感器光束对，形成锥形。锥形可以朝向和远离转子叶片5延伸。光发射器12围绕杆的圆周定位，因此在转子平面中以不同角度发出传感器光束。如在前图9中所示的，可以存在围绕杆的圆周定位的三个光发射器，在此情况下，传感器光束以相对彼此120度布置。在这个实例中，由于光发射器12和光接收器件14的位置不受转子叶片5的数量限制，可以提供任意数量的传感器光束，例如四个传感器光束，在它们之间有90度的角度。

多个光接收器件14也位于杆7中，用以检测从通过传感器光束的颗粒物质散射的光，而位于杆中的取向传感器19也针对每一个光发射器12和光接收器件14指示发射器－接收器对的取向。应理解，可以在转子轮毂6上而不是在杆7中提供光发射器12、光接收器14和取向传感器19中的任意一个。

为了确保所有条件下的操作，可以在转子轮毂6或杆7中提供加热元件（未示出），以融化聚集的冰。而且，也可以提供包围光发射器12和检测器14的中空、末端开口的盖和外壳，以避免污垢和其它物质的积累。加热元件优选地是不导电的，并由耐用材料制成。

杆7可以由诸如具有玻璃纤维或碳的纤维强化的塑料之类的材料构成。也可以使用其它不导电的、耐受环境的材料。类似地，可以由相同的材料构成盖，或者由诸如聚合物的可轻微变形的材料构成，如橡胶、天然橡胶、聚丙烯、聚乙烯、尼龙、人造橡胶、凯夫拉等。

在这个实施例中，光学传感器系统的操作与以上针对第一实施例所描述的相同，除了光源12和光接收器件14的物理位置在转子轮毂6上，而不是在叶片上。在可替换的实施例中，传感器10可以构造在位于轮毂上的小翼（winglet）中，并沿叶片表面向内布置。

这个实施例的传感器系统不易受到叶片的运动的影响，或者叶片的俯仰的变化的影响。然而，与第一实施例不同，其不能给出横跨转子4的整个半径的垂直分量的指示。这个实施例可以结合第一实施例或者单独地使用。

第三实施例

图13示出进一步的实施例，其中，光发射器12位于转子轮毂6中，光接收器件14位于风力涡轮叶片5中。布置光源12以使得它们在平行于转子平面的方向上并在转子叶片5前面发出两个传感器光束。在这个示例性实现方式中，光发射器12比在上述实例中功率强，并且可以包括激光器件，因为它们发出的光束必须沿光检测器14所定位的转子叶片5的长度行进。为此，各个分量光束不聚焦，而是布置为沿叶片的长度彼此平行。当然，如果仅有单个光接收器件14位于叶片5上，光束可以聚焦，并且光束要与器件14协作。

由于在这个实施例中，光束未相对于叶片成角度，并且不可能以稍早针对图11所述的方式确定风是从下面还是从上面接近风力涡轮转子。然而，这个实施例确实提供了有利的风速计布置，其中通过光束的颗粒物质的通过时间用于给出转子处的风速的指示（假定风向主要水平于转子平面）。由于在转子叶片的前面检测风速，与风速计位于风力涡轮机机舱顶部的情况相比，这给出了更接近于自由流风速的读数。因此为了风速计正确操作，确保风力涡轮转子面朝风是必需的。用于实现其的方法和装置是本领域中公知的，在此将不再说明。

为了补偿操作期间转子叶片5的俯仰的变化，光发射器和检测器需要具有宽/平特性，类似具有焦点区域的椭圆，以便即使当叶片俯仰至少几度时，检测器也可以检测到光

这个实施例可以结合第一和第二实施例任意一个或二者，或者单独使用。

在全部三个实施例中，应理解，传感器光束具有正交于转子的旋转轴并平行于转子平面的光束分量。

在上述本发明的实例中，光的光学波长或频率用于将一个单独的传感器光束与另一个区分开，并随后提供与风的通过方向有关的信息。在进一步的可替换实施例中，各个光束的波长可以是恒定的，但可以使光束闪烁，并随后借助其闪烁频率彼此区分开。

为了确保可检测到风中的颗粒，即在光束关闭时颗粒不通过光束，闪烁频率应设定得足够高。由于感兴趣的风速可以具有每秒几十米的数量级，并且光束宽度具有毫米的数量级，风中的颗粒在光束中所耗费的时间可小于50微秒。光的闪烁频率因此需要具有1MHz或更大的数量级，以确保可以对颗粒通过成像。在实践中高于100MHz的频率是有用的。

在检测器处，例如在单个PIN二极管的情况下，取决于颗粒与哪个光束相交及在何时，来自各个单独光束的接收光可以相加在一起。然而，取决于其各自的闪烁频率，来自每一个单独光束的传感器信号具有其自己的特征，允许使用滤波将来自特定光束的信号与其它信号隔离。这样的滤波可以使用传统带通滤波器或更复杂的数字光学电子器件来实现。当选择单独光束的频率时，应注意避免例如当一个光束具有是另一个光束倍数的频率时会干扰检测的谐波，。示例性地，在100MHz范围上适合的频率可以是110、120、130、140、150、160、170、180、190、210、230、250、270、290MHZ等等。这允许所有光束连续工作，但仍实现检测到各个光束。

上述的光学风传感器可以用于控制风力涡轮机的运行的系统中，例如俯仰（pitch）和偏转（yaw）控制系统，以及提供数据，用以计算涡轮机的功率曲线。

此外，风传感器可以用于检测垂直风向分量。分量的意思是使风向矢量化，并具有三个分量，一个平行于转子的旋转轴，两个垂直于所述分量，一个这样的分量可以使基本上垂直的分量，风速超过预定阈值，涡轮机操作降低功率或停止。这样的情况可以对应于例如当严重的偏转误差出现时，但代替转子的一侧（当在涡轮机的正视图中观察时，左到右或右到左）比另一侧更多地处于风中，会是转子的下侧或上侧更多地处于风中。通常，诸如在山中地点的垂直分量可以是离开地面向上的，并且与上侧相比，可以增大转子下侧的载荷。因此，会存在不想要的偏斜加载情况，从而取决于实际涡轮机和地点特定的问题，可以设定阈值，用于降低功率（降低功率输出，但保持涡轮机运行）或者优选地可以停止涡轮机。

在以上示例性实施例中所述的透镜和光学元件可以是常规光学器件，或者如果优选地，是全息的或多向光学器件。出于举例说明的目的，参考多个实例说明了本发明。本发明不限于这些，对于本领域技术人员，在权利要求书所提供的定义内的变化是显而易见的。例如，尽管仅说明了三个风力涡轮机叶片，但其他数量的叶片也是可能的。在适当情况下，本发明的实施例也可以适用于垂直轴风力涡轮机。

Claims (28)

1.一种风力涡轮机光学风传感器，包括：

多个光源，安装在风力涡轮机的转子上，以使得在使用中，所述光源围绕所述转子的旋转轴旋转；

其中，每一个光源定位为发出至少具有与所述转子的旋转轴正交的第一方向光束分量的传感器光束，并且其中，每一个传感器光束由至少两个平行分量传感器光束组成；

多个光接收器件，安装在所述转子上，以使得在使用中，所述光源围绕所述转子的旋转轴旋转，并且其中，所述多个光接收器件定位为使得每一个传感器光束与至少第一对应光接收器件相关联，以检测来自风中的通过所述至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁；

控制器，耦合到所述多个光接收器件，用于处理检测到的光的闪烁，并确定通过对应的至少两个分量传感器光束的颗粒物质的通过时间，并且基于检测到的通过时间，给出风中的所述颗粒物质的运动速度和/或方向中的一个或多个的指示。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，至少两个传感器光束具有平行于所述转子的旋转轴的第二方向光束分量；并且其中，所述控制器被配置为：

根据对应的分量传感器光束的闪烁，确定通过所述至少两个传感器光束中的每一个传感器光束的颗粒物质的通过时间；

比较每一个传感器光束的对应的通过时间；以及

针对风向，确定垂直速度分量的指示。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述控制器被配置为：

确定风的垂直速度分量的指示是否高于阈值水平，如果是，则发出警报信号。

4.根据权利要求2或3所述的传感器，其中，所述控制器被配置为：

确定风的垂直速度分量的指示是否高于阈值水平，如果是，则使得风力涡轮机叶片俯仰以漏过风。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的传感器，其中，所述控制器被配置为操作取向传感器，用以确定轮毂、或者一个或多个叶片的取向，并且其中，所述控制器针对每一个检测到的通过时间，记录检测到闪烁时的传感器光束的取向。

6.根据权利要求2至5中的任一项所述的传感器，其中，所述光源安装在转子叶片上，以使得所述传感器光束投射到所述叶片的纵向方向上和所述叶片的前面；以及

其中，光检测器位于所述转子叶片上，与对应的光源相邻并定位为检测来自风中的通过所述至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述传感器光束以相对于水平轴10到80度之间的角度投射在所述转子叶片的前面。

8.根据权利要求7所述的传感器，其中，所述传感器光束以相对于水平轴30到60度之间的角度投射在所述转子叶片的前面。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的传感器，其中，多个光源和光检测器位于每一个转子叶片上。

10.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，光源安装在转子轮毂上，或者接近或位于一个或多个叶片的叶片尖端。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述光源和所述光检测器中的一个或多个安装在从所述转子轮毂突出的杆上。

12.根据权利要求11所述的传感器，其中，所述杆在所述转子轮毂的前面突出，并且安装为用于与所述转子轮毂的旋转轴同轴旋转。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的传感器，其中，围绕旋转轴顺序布置所述至少两个传感器光束。

14.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，指示对于风向的垂直速度分量的数据由所述控制器在延长的时间段中收集，并发送到风力涡轮机组操作者。

15.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述光源布置在所述转子轮毂上，使得与转子平面平行地投射所述传感器光束；并且所述光接收器件位于转子叶片中。

16.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述至少两个平行分量传感器光束具有相对于彼此不同的光波长。

17.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述不同的波长对于人眼是不可见的。

18.根据权利要求1至16中的任一项所述的传感器，其中，所述至少两个平行分量传感器光束具有相同的波长，但布置为以不同频率闪烁。

19.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，每一个光源包括连接到光电子光源的光纤，其中，所述光电子光源容纳在所述风力涡轮机的电屏蔽部分中。

20.根据前述任一项权利要求所述的传感器，其中，所述光接收器件传感器连接到容纳在所述风力涡轮机的电屏蔽部分中的光电检测器，并且所述光接收器件及其与所述光电检测器的耦合是非电敏感的。

21.根据权利要求19所述的传感器，其中，每一个光源的光纤附接到相同的光电子光发射器。

22.一种基本如本文并参考附图所述的装置。

23.一种风力涡轮机，包括前述任一项权利要求所述的传感器。

24.一种操作风力涡轮机光学风传感器的方法，用以确定到达风力涡轮机转子的风的速度和/或方向中的一个或多个，其中，所述光学风传感器包括安装在所述风力涡轮机转子上的多个光源和光接收器件，以使得在使用中，所述光源和光接收器件围绕所述转子的旋转轴旋转，所述方法包括：

从每一个光源发出至少具有与所述转子的旋转轴正交的第一方向光束分量的传感器光束，其中，每一个传感器光束由至少两个平行分量传感器光束组成；

借助所述光接收器件接收来自风中的通过至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁；

处理检测到的光的闪烁，以确定通过对应的至少两个分量传感器光束的颗粒物质的通过时间；以及

基于检测到的通过时间，确定风中的颗粒物质的运动速度和/或方向中的一个或多个。

25.一种根据权利要求24所述的操作风力涡轮机光学风传感器的方法，用以确定到达风力涡轮机转子的风的速度和/或方向中的一个或多个，其中，当检测到垂直风向分量并且风的速度超过预定阈值时，所述涡轮机操作降低功率或停止。

26.一种非暂时性计算机可读介质，具有存储在其上的计算机代码，当所述计算机代码在处理器上执行时，使所述处理器执行根据权利要求24或25所述的方法的步骤。

27.一种基本如本文并参考附图所述的方法。

28.一种基本如本文并参考附图所述的计算机可读介质。

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