CN104040360A - 用于风力涡轮发电机的风检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定相对于旋转或静止的风力涡轮机转子的相对风向(迎角)的光学检测器。光学检测器包括输出部分，所述输出部分沿不同预定方向从转子叶片发出可分辨光束。光束可通过光颜色、通过各个光束发射的时间、和/或通过各个光束的不同幅值调制频率或其他调制来分辨。通过确定来自在不同可分辨光束中移动或移动通过不同可分辨光束的风传播颗粒物的散射光的脉冲时间，或通过确定一时间段内脉冲次数，可以将相对风向或迎角确定为具有最长脉冲时间或在给定时间段内最少脉冲次数的光束的预定方向。

Description

用于风力涡轮发电机的风检测器
技术领域
本发明涉及一种用于测量风向的光学器件，特别涉及用于与风力涡轮发电机一起使用的这样的光学器件。
背景技术
测量转子前方单一位置处的风对于具有长叶片的风力涡轮发电机可能是不够的，因为风速和风向可沿叶片长度改变。
通过了解叶片扫过区域中不同地方处的风状况，可针对产出功率来改进对叶片桨距角的确定。
因此，存在使得能够测量风力涡轮发电机转子扫过区域中不同位置处的风向和/或风速的需求。
发明内容
在风向测量领域中实现改进将会是有利的。总体上，本发明优选地旨在缓解或消除上文提到的风检测的缺点。具体地，可视为本发明目的的是提供一种使得能够检测现有技术中的转子扫过区域中不同位置处的风速和/或风向、或其他问题的方法。
为更好地解决这些问题中的一个或多个，在本发明的第一方面中，提供一种用于风力涡轮发电机的光学风检测器，用于确定相对于风力涡轮发电机转子叶片上的位置的相对风向，所述光学风检测器包括：
-光束发生器，其包括输出部分，所述输出部分能从叶片上的位置沿第一和第二不同方向输出光，
-光学接收器，其能测量第一光学量和第二光学量，所述第一光学量根据测量到的源自第一方向的光学散射光来确定，所述第二光学量根据测量到的源自第二方向的光学散射光来确定。
输出部分适用于安装在叶片位置处，以使得所述输出部分在转子前方沿与入射风相反方向发出光，或在转子后方沿入射风方向发出光。接收器可定位在与输出部分相同的叶片上，或定位在风力涡轮发电机的其他位置。
应理解的是，输出部分可沿不同于第一和第二方向的其他方向输出光，例如可沿5个、10个、20个或更多方向输出光束。在实际中，使用弥散元件(诸如棱镜)可产生无限范围的光束，因为入射白光被弥散为沿不同方向连续扩散的入射白光，其中沿不同方向的光具有不同波长。类似地，接收器能够来确定来自不止相应的第一和第二方向的测量的散射光的不止第一和第二量。
由于第一和第二光学量与第一和第二方向相关联，因此相对风向能通过分析被确定的第一和第二量来确定为第一或第二光方向。如果光学量是来自粒子的光脉冲数量，则相对风向可被确定为第一和第二方向中与最低光脉冲数量相关联的光方向。如果光学量是来自粒子的光脉冲时长，则相对风向可被确定为第一和第二方向中与最长光脉冲时长相关联的光方向。
有利地，定位在转子处的输出部分使得能够检测转子扫过区域内不同位置的相对风向。两个或更多的输出部分可沿叶片长度定位，以使得能够确定在不同径向距离处的风状况。
如由光学风检测器允许的对风向的确定可改善对叶片桨距角的确定，以及从而可改善功率产出，因为桨距可设定为接近取决于相对风向的最优产出角。此外，可避免叶片的失速效应，并且从而可最小化来自叶片的噪声和疲劳负载。
有利的是，光可经由延伸穿过叶片并且进入轮毂中的一个或多个光纤来输送到输出部分，以及由光学接收器接收的光可经由相同的所述一个或多个光纤或其他光纤来发送到轮毂，以便将光学量转换为电学量。然而，这样的光纤可以不是光学风检测器的一部分，而是可以与光学风检测器的光学连接器连接。
在一实施方式中，第一光学量可被确定为测量到的源自第一方向的光学散射光的脉冲时长和/或脉冲数量，以及第二光学量可被确定为测量到的源自第二方向的光学散射光的脉冲时长和/或脉冲数量。
在一实施方式中，输出部分可包括光学棱镜，所述光学棱镜配置成接收具有给定光谱的输入光并且将被接收光输出为沿第一方向具有第一波长的光和沿第二方向具有第二波长的光。光谱可包括第一和第二波长或在连续光谱或非连续光谱中的更多波长。
在一实施方式中，光谱可随时间变化，以使得第一和第二波长在不同时间出现在光谱中。
在一实施方式中，输出部分包括设置成沿第一和第二方向输出光的第一和第二光纤。第一和第二光纤中的光发送可以是多路复用的，以使得沿第一和第二方向的输出光在不同时间产生。
在一实施方式中，光学风检测器包括配置成通过分析第一和第二光学量来确定相对风向的处理器。用于确定相对风向的分析可包括确定在一段时间内第一和第二量中的哪个包括最长脉冲时长和/或最低脉冲数量。此外或替代地，所述分析可包括内插或外推针对第一和第二不同方向的第一和第二光学量的值，以便确定相对风向中不与第一和第二方向中任一重合的方向。此外或替代地，光学风检测器还可配置成根据相对风向和风力涡轮机转子转速来确定风速。
在一实施方式中，处理器还可配置成确定针对转子的不同角位置的相对风向。以这种方式，可以通过比较在转子的不同角朝向处的风向来确定转子方向是否最优。
本发明的第二方面涉及一种风力涡轮机，其包括根据第一方面的光学风检测器。输出部分可安装在叶片位置处。
本发明的第三方面涉及一种用于确定相对于风力涡轮发电机转子叶片上的位置的相对风向的方法，所述方法包括：
-通过使用光束发生器来从叶片上的部位沿第一和第二不同方向输出光，
-根据测量到的源自第一方向的光学散射光来确定第一光学量，以及
-根据测量到的源自第二方向的光学散射光来确定第二光学量。
综上所述，本发明涉及一种用于确定相对于旋转或静止的风力涡轮机转子的风向的光学检测器。所述光学检测器包括输出部分，所述输出部分从转子叶片沿不同预定方向发出可分辨光束。光束可通过光颜色、通过各个光束被发射时间、和/或通过各个光束的不同幅值调制频率或其他调制来分辨。通过确定来自在不同可分辨光束中移动或移动通过不同可分辨光束的风传播颗粒物的散射光的脉冲时间，或通过确定在一段时间内的脉冲次数，可以将相对风向或迎角确定为在给定时间段内具有最长脉冲时间或最少脉冲次数的光束的预定方向。
大体上，本发明的各方面可以在本发明范围内的任何可能的方式结合和连接。本发明的这些以及其他方面、特征、和/或优点将参考在下文中描述的实施方式而易于理解以及阐明。
附图说明
本发明的实施方式将仅通过实施例并参照附图来描述，其中：
图1示出风力涡轮发电机，
图2展示用于通过从叶片沿不同方向输出光束来测量相对风向的光学原理，
图3示出用于确定风速的几何尺寸，
图4A-D示出用于产生朝向不同方向的光束的不同光学原理，以及
图5展示光学风检测器的部件。
具体实施方式
图1示出风力涡轮发电机100，其包括塔架101和机舱102。转子叶片103固定到轮毂104。转子叶片103的组件(即转子105)能通过风的作用来旋转。旋转方向由方向110指示出。从而，转子叶片102的由风引起的旋转能量可经由轮毂来传输到机舱中的发动机。从而，风力涡轮发电机100能借助于转子叶片将风能转换为机械能，以及随后借助于发动机转换为电能。
转子叶片103或仅叶片103包括但不限于细长结构，所述细长结构具有适合于在穿过空气相对移动时提供空气动力学升力的翼形轮廓。
轮毂104是配置有用于紧固一个或多个转子叶片103的紧固构件并且可与轴杆连接以便将叶片旋转能量传输到发动机或齿轮箱的结构。
根据本发明的实施方式，光学风检测器的输出部分150连接到叶片103中的一个或多个，例如，如图1所示，一个检测器150连接到三个叶片中每个。
图2示出在叶片103的纵向位置处的叶片103截面图。图2中的叶片具有与塔架101平行的直立方向。旋转方向由叶片方向110给定，以及入射风的方向大致由风向220给定。
光学风检测器的输出部分150定位在叶片的前缘处。输出部分150沿不同方向201-204(诸如第一和第二方向201-202)输出光。
入射风将包含大量小颗粒物，诸如灰尘、花粉、水滴和冰晶。由输出部分150发送到空气中并且穿过空间(体积)230的一部分光将由颗粒物(诸如定位在空间230内的颗粒物)来散射。
散射光由光学接收器来接收，所述光学接收器可定位在与输出部分150所连接到的叶片相同的叶片上，或连接到风力涡轮机100上的其他位置，诸如机舱102或轮毂104上。作为实施例，光学接收器的接收部分(例如透镜)可与输出部分150结合。例如，安装在叶片103外壳的孔中的同一透镜或其他光学部件既可用于输出光，又可用于接收散射光。
由光学接收器来接收和测量的散射光可在测量到的源自各个光束211的光学散射光中的一个或多个脉冲的时长和/或脉冲的数量方面被量化。从而，光学接收器将产生持续一时长的脉冲(即测量到的光功率、能量、或保持在给定强度范围内的强度)，所述时长等同于颗粒物将来自具有给定方向201-204的给定光束中的光散射的时间段。
能假定的是，颗粒物大致均匀分布在空气中，并且因此穿过空间230的的颗粒物的浓度基本上独立于空间230内的位置。因此，在方向204比方向203更靠近颗粒物的相对方向的情况下，在光经过时，与具有方向203的光束相比，沿给定绝对方向220移动的颗粒物将来自具有方向204的光束的光在更长时间段中散射。类似地，在方向204比方向203更靠近风传播颗粒物的相对方向的情况下，与具有方向203的光束相比，沿给定绝对方向220移动的颗粒物将在给定时间段内从具有方向204的光束产生更低的脉冲数量。
在此，光束被理解为从输出部分150输出的在扇形内(即在给定角度或立体角度内)传播的光线。从而，多个单独光束能通过将主光束分裂为更多的窄扇形光线来限定在从输出部分150输出的单一发散光束中。因此，光束方向201-204中的每个具有如由光束211来展示的相关联的光线束。
假定风具有方向220，与来自与方向202-204相关联的任何其他光束的散射脉冲相比，例如与方向201相关联的光束可产生在时间方面更长的散射脉冲。等同地，与来自与方向202-204相关联的任何其他光束的散射脉冲相比，与方向201相关联的光束可产生更低的散射脉冲数量。因此，通过确定与方向201-204相关联的光束211中的哪个光束产生最长的散射脉冲和/或最低的脉冲数量，风能的相对方向被确定为方向201-204中与最长散射脉冲或最低的脉冲数量相关联的那个。被确定的相对风向由方向221来指示出。被确定的相对风向221的准确性能通过内插或外推从不同方向201-204测量到的散射光的光学量(例如脉冲长度或脉冲数量)来改善。
重要的是认识到风向220是独立于叶片103旋转的绝对方向，而如由光学风检测器确定的相对风向221给出相对于旋转或静止的转子105的风向。
图3展示与图2中相同的具有旋转方向103和风向220的叶片103截面图。弦线310定义经过后缘和前缘的线。旋转方向103和弦线310之间的角度β是能由桨距致动器来调节的叶片或一部分叶片的桨距角。
在图3中，风向220表示假定的绝对风向，而已发现的是，实际相对风向221等同于或大致等同于相关联的光束211方向201。因此，相对风向221被确定为相对于弦方向310的角度α，或入射角。
被确定的相对风向α相对于叶片103上的给定位置(例如输出部分150所定位的位置)来确定。从而，不同相对风向α可沿叶片长度来确定，这对于确定具有例如50米或更长长度的叶片的最优桨距角β而言可能是重要的。
假定绝对风向220基本上垂直于转子方向103，则能确定沿风向220的风速或沿相对风向221的风速。从而，沿风向220的风速ws由ws＝rs/tan(α+β)给出，以及沿相对风向221的相对风速rws由rws＝rs/cos(α+β)给出，其中rs是以米/秒为单位的转速。
光束发生器和输出部分150可以不同方式配置，以便沿不同方向(诸如第一和第二不同方向201、202)输出光。
图4A示出光束发生器450和输出部分150的实施方式。光束发生器450包括光纤430，所述光纤能发送具有宽光谱的光(诸如包含至少第一和第二不同波长w1、w2的白光)。光通过由输出部分150包括的棱镜421或其他装置(诸如光栅)来发送。棱镜将白光扩散到不同方向201-203中，其中沿每个方向的光具有不同波长。因此，输出部分150配置成沿第一方向201输出具有第一波长w1的光，并且沿第二方向202输出具有第二波长w2的光。弥散元件421可设置在叶片103中，以使得光束211从弥散元件中直接地输出，或经由其他光学元件(诸如透镜)输出，以便控制被输出的光束211的发散。
由于光束211根据其不同方向201-203而具有不同波长，因此可以通过使用光学接收器(诸如分光计)来确定测量到的散射光源自光束211中的哪个，所述光学接收器能例如将光强度作为波长的函数来测量。因此，相对风向221能被确定，因为检测到的脉冲长度或脉冲数量与哪个波长相关联以及因此与哪个光束方向201-203相关联是已知的。
图4B示出光束发生器450和输出部分150的替代实施方式。光纤430能发送具有宽光谱的光。然而，在这个实施方式中，在光纤430中发送的光的光谱随时间变化，以使得具有第一和第二波长的光在不同时间发送，即第一和第二波长在不同时间出现在被发送光的光谱中。通过光纤发送的光的光谱的变化可由可调谐激光器或多色LED(发光二极管)系统来产生，所述可调谐激光器或多色LED系统可受控以产生不同波长并且配置成将光射入光纤430。由于来自光纤的光由散射元件421根据实际波长来折射，因此沿不同方向201-203的光束在不同时间产生。
由于在光纤430中发送的光的光谱根据已知时间依存性来变化，因此第一和第二波长在不同时间发送，以及因此无需使用分光计，因为被接收的光的波长能根据不同波长的已知时间依存性来确定。相反，简单的强度敏感型传感器(例如光电二极管)能用于检测散射光，以及相对风向221能被确定，因为根据发射出的光的时间依存性得知检测到的脉冲长度与光束方向201-203中的哪个相关联。替代地，如果波长可控型光源的光谱变化的时间(即具有给定波长的光在哪个时间产生)已知，则相对风向221能被确定，因为测量到的脉冲与光束方向201-203中的哪个相关联是已知的。
图4C示出光束发生器450和输出部分150的实施方式。光束发生器450包括多个光纤431-433，其中每个光纤能发送具有相对窄光谱的光(即具有单一颜色w1的光)。因此，第一光纤431可发送具有波长w1的光，以及第二光纤432可发送具有不同波长w2的光。光通过光学相同或光学元件422(例如透镜)来发送，以便将光从第一和第二光纤431、432扩散到第一和第二不同方向201、202中。在由光学器件422来扩散到不同方向中之前，来自光纤431-433中每个的光可单独地由准直器进行准直。
类似于图4A-B中的在前实施方式，光束211根据其不同方向201-203而具有不同波长，以及因此可以通过使用分光计或类似装置来确定测量到的散射光源自光束211中的哪个。因此，相对风向221能被确定，因为检测到的脉冲长度和/或脉冲数量与哪个波长相关联以及因此与光束方向201-203中的哪个相关联是已知的。
图4D示出具有多个光纤431-433的实施方式，所述实施方式类似于图4C中的实施方式，但是不同之处在于，在第一和第二光纤431-432中发送的光是多路复用的，以使得第一和第二方向201-202中的输出光在不同时间产生。类似地，对于图4B中的实施方式，相对风向221能通过利用光束211沿不同光束方向201-203具有不同且可分辨的波长、或通过利用光束211根据其不同方向201-203在不同时间输出来确定，以使得无需分光计，因为被接收的光的波长能根据不同波长的已知时间依存性来确定。因此，简单的强度敏感型传感器能用于检测散射光，以及相对风向221能被确定，因为多路复用的光束方向201-203的时间是已知的。
在替代实施方式中，光纤431-433中每个用于发送具有同一窄或宽光谱的光。为能确定测量到的散射脉冲源自相同光学颜色的光束211中的哪个，光纤431-433中每个中的光在光强度方面受到调制(例如利用不同调制频率或不同调制方案，例如不同小波调制方案)。因此，输出部分150能输出沿第一方向具有第一可检测强度调制的光，以及能输出沿第二不同方向具有第二可检测强度调制的光。
可以通过使用光学接收器和信号分析器(诸如频率或FFT分析器)来确定测量到的散射光源自被强度调制的光束211中的哪个，所述信号分析器能将散射光强度作为例如调制频率的函数来测量。因此，相对风向221能被确定，因为检测到的脉冲长度或脉冲数量与哪个调制方案(例如调制频率)相关联并且因此与光束方向201-203中的哪个相关联是已知的。
图5示出包括光束发生器450的光学风检测器500。光束发动机450包括输出部分150，用于沿不同方向输出光束211。一个或多个光纤430-433可用于将光输送到输出部分150，以及有可能一个或多个光源(诸如激光器或LED光源)可用于将光发射到光纤430-433中。一个或多个光纤430-433或可与光纤430-433连接的其他一个或多个光纤可延伸通过叶片并且延伸到轮毂104中，以便将光发射到光纤中的一个或多个光源也可定位在所述轮毂中。类似地，同一光纤430-433或其他光纤可用于将由光学接收器501接收的光发送到定位在轮毂104中的光学检测器(光电二极管、分光计、或类似的光电检测器)。从而，光学风检测器500可构造成使得其不包含金属或导电部分，因为光束发生器450和光学接收器501仅包含光学部件，以及光学风检测器500和轮毂104之间的连接可仅使用光纤进行。光学风检测器500还包括光学接收器501，所述光学接收器能测量来自空气传播颗粒物504的散射光503。光学风检测器500可以可选地包括处理器502，用于处理来自光学接收器501的测量，以便确定相对风向221以及有可能用于确定风速。处理器502可以是配置成接收来自光学接收器501的模拟值或数字值的计算机。
尽管本发明已在附图和在前描述中详细展示和描述，但是这样的展示和描述应被理解为展示性的或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。所公开的实施方式的其他变化能由本领域中的技术人员根据对附图、公开、以及所附权利要求的学习而实施要求保护的本发明来理解并且实现。在权利要求中，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”或一个”并不排除复数个。单一处理器或其他单元可满足权利要求中引用的数个物品的功能。特定测量在互相不同的从属权利要求中被引用的事实并不意味着这些测量的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被理解为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮发电机(100)的光学风检测器(500)，用于确定相对于风力涡轮发电机转子叶片上的位置的相对风向(221)，所述检测器包括：
-光束发生器(450)，其包括输出部分(150)，所述输出部分能从叶片上的位置沿第一和第二不同方向(201-204)输出光，
-光学接收器(501)，其能测量第一光学量和第二光学量，所述第一光学量根据测量到的源自第一方向的光学散射光(503)来确定，所述第二光学量根据测量到的源自第二方向的光学散射光(503)来确定。
2.根据权利要求1所述的光学风检测器，其中第一光学量被确定为测量到的源自第一方向的光学散射光的脉冲时长和/或脉冲数量，并且，第二光学量被确定为测量到的源自第二方向的光学散射光的脉冲时长和/或脉冲数量。
3.根据权利要求1所述的光学风检测器，其中输出部分包括光学散射元件(421)，所述光学散射元件配置成接收具有给定光谱的输入光，并且配置成将被接收的光输出为沿第一方向的具有第一波长的光和沿第二方向的具有第二波长的光。
4.根据权利要求3所述的光学风检测器，其中光谱包括第一和第二波长。
5.根据权利要求4所述的光学风检测器，其中光谱随时间变化，以使得第一和第二波长在不同时间出现在光谱中。
6.根据权利要求1所述的光学风检测器，其中输出部分包括第一和第二光纤(431-433)，所述第一和第二光纤设置成沿第一和第二方向输出光。
7.根据权利要求6所述的光学风检测器，其中在第一和第二光纤中的光发送是多路复用的，以使得沿第一和第二方向的输出光在不同时间产生。
8.根据权利要求1所述的光学风检测器，其还包括处理器(502)，所述处理器配置成通过分析第一和第二光学量来确定相对风向。
9.根据权利要求8所述的光学风检测器，其中分析包括确定在一段时间内第一和第二量中的哪个包括最长脉冲时长和/或最低脉冲数量。
10.根据权利要求8所述的光学风检测器，其中分析包括内插或外推针对第一和第二不同方向的第一和第二光学量的值，以便确定相对风向的方向。
11.根据权利要求8所述的光学风检测器，其中处理器还配置成根据相对风向和风力涡轮机转子(105)转速来确定风速。
12.根据权利要求8所述的光学风检测器，其中处理器还配置成确定针对不同转子角位置的相对风向。
13.一种风力涡轮机(100)，其包括根据权利要求1所述的光学风检测器。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中输出部分安装在叶片位置处。
15.一种用于确定相对于风力涡轮发电机转子(100)叶片上的位置的相对风向(211)的方法，所述方法包括：
-通过使用光束发生器(450)来从叶片上的位置沿第一和第二不同方向(201-204)输出光，
-根据测量到的源自第一方向的光学散射光来确定第一光学量，以及
-根据测量到的源自第二方向的光学散射光来确定第二光学量。
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