CN107110117A

CN107110117A - 涉及风力涡轮机的改进

Info

Publication number: CN107110117A
Application number: CN201580069188.8A
Authority: CN
Inventors: I·S·奥勒森
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-08-29
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: ES2773677T3; EP3234350B1; US10487800B2; WO2016095926A1; US20190085822A1; EP3234350A1; CN107110117B

Abstract

一种确定风力涡轮机叶片的扭转角的方法，该方法包括在风力涡轮机叶片上提供第一和第二发射器，第一发射器以第一距离与接收器隔开，并且第二发射器以第二距离与接收器隔开，发射器设置成使得叶片的扭转引起第一或第二距离中的一个增加并且第一或第二距离中的另一个减少；从第一和第二发射器中的每个朝向接收器发射闪烁信号，闪烁信号具有闪烁频率；改变闪烁信号的闪烁频率；在闪烁频率改变时监控由接收器接收到的闪烁信号的幅值；确定导致由接收器接收的闪烁信号的幅值增加的特定闪烁频率；以及利用确定出的特定闪烁频率来计算叶片扭转角。

Description

涉及风力涡轮机的改进

技术领域

本发明总体上涉及风力涡轮机并且更具体地涉及一种用于在风力涡轮机的使用期间确定风力涡轮机叶片的扭转程度的方法和系统。

背景技术

现代实用级(utility-scale)风力涡轮机具有转子，该转子包括非常长且纤细叶片。图1示出典型的风力涡轮机叶片10，该风力涡轮机叶片从相对较宽的根端12朝向相对较窄的梢端14纵向地渐缩。还在图1中示出叶片10的纵向轴线L。叶片的根端12的横截面为圆形。从根部向外，叶片的横截面具有翼形轮廓16。

叶片的根部一般经由变桨机构连接到转子的轮毂，该变桨机构使叶片围绕纵向变桨轴线L转动以便改变叶片的桨距。改变叶片的桨距改变其相对于风的迎角。这用于控制叶片的能量捕获，并且由此控制转子速度，以使得其在风速变化时维持在操作限度内。在低至中等的风中，特别重要的是控制叶片的桨距以便使叶片的能量捕获最大化并且使风力涡轮机的生产率最大化。

风力涡轮机叶片的能量捕获总体上随着从根部朝向梢部移动而增加。由此，叶片10的内侧或根部部分12倾向于捕获最少的能量，而叶片的外侧或梢部部分14倾向于捕获最多的能量。因此期望对于叶片的外侧部分的桨距角进行准确控制以便使风力涡轮机的输出最大化。

现代风力涡轮机叶片一般具有50-80米的长度，并且不断地有动力开发更长的叶片以从风中捕获更多的能量。叶片总体上由复合材料、诸如玻璃纤维增强塑料(GFRP)制成。叶片因此为相对柔性的并且在操作期间不可避免地弯曲和扭转到一定程度。叶片的相对较窄的外侧部分特别容易受到扭转和弯曲影响。

虽然变桨机构允许对于叶片的根部的角度进行准确控制，但这不一定反映出如上文所述更容易受到弯曲和扭转影响的叶片的梢部的角度。本发明提供一种用于准确地测量叶片梢部的扭转角的方法和装置，以使得能够在控制策略中利用该信息。例如，能够在桨距控制策略中利用扭转角的准确测量，允许对于叶片的外侧部分的迎角进行准确控制，以使得能够最大化叶片的能量捕获。还可以在叶片载荷计算和控制策略中利用测量以保护叶片不遭受极端载荷。

叶片的扭转角在此定义为叶片在梢部处的翼弦线与基本上垂直于叶片的纵向轴线L的平面中的参考轴线之间的夹角，如现在将会参照图2a和2b通过实施例的方式描述。翼弦线是将叶片10的前缘18连接到后缘20的直线D。

图2a和2b展示在基本上垂直于纵向轴线L的平面中并且沿图1中的线A-A截取的风力涡轮机叶片10的梢部的横截面图。在图2a中，叶片10具有第一扭转角，而在图2b中，叶片10具有第二扭转角。扭转角在图2a和2b中标记为θ。纵向轴线L在图2a和2b中基本上垂直于纸平面。

L-y平面限定转子的旋转平面，并且x轴垂直于该平面。转子围绕转子轴线的旋转方向由图2a和2b中的R指示出，当转子转过2π弧度的角度时，该旋转方向跟踪L-y平面中的圆。风向指示为图2a和2b中的W。在图2a和2b中，风向展示为垂直于L-y平面，尽管实际上相对于L-y平面的风向改变，并且可以是以不同角度入射。

在图2a中，叶片梢部扭转角θ定义为0弧度，即，当翼弦线D平行于x轴并且因此垂直于L-y平面时。图2b展示叶片梢部相对于x轴转过角度θ，从而使得θ>0。

在本发明的后续讨论中，将会应用叶片扭转角的以上定义。换言之，叶片扭转角θ相对于轴线(图2a和2b的x轴)定义，该轴线形成为垂直于叶片的旋转平面(图2a和2b的L-y平面)。然而，应认识到的是，扭转角可以定义为相对于另外的任意参照物，并且由此这种定义不应被认可为过度限制本发明的范围。

现代风力涡轮机是非常高的建筑物，并且叶片特别容易受到雷击影响。因此，大多数风力涡轮机叶片结合防雷保护系统用于将来自雷击的电能安全地传导到地面。本发明旨在避免在风力涡轮机叶片上使用金属部件或电气部件，因为这些金属部件或电气部件能够优先于叶片上的雷电接收器吸引雷击，这可能会使叶片损坏。用于测量叶片梢部扭转程度的当前系统昂贵并且脆弱。与此相反，本发明的系统和方法实施起来既简单又便宜，并且抵抗由风力涡轮机经常遭遇的极端天气条件引起的损害。

发明内容

根据本发明的一个方面提供一种确定风力涡轮机叶片的扭转角的方法，该方法包括在风力涡轮机叶片上提供第一和第二发射器，第一发射器以第一距离与接收器隔开，并且第二发射器以第二距离与接收器隔开，发射器设置成使得叶片的扭转引起第一或第二距离中的一个增加并且引起第一或第二距离中的另一个减少。该方法还包括从第一和第二发射器中的每个朝向接收器发射闪烁信号，闪烁信号具有闪烁频率并且改变闪烁信号的闪烁频率。附加地，该方法包括在闪烁频率改变时监控由接收器接收到的闪烁信号的幅值，确定导致由接收器接收到的闪烁信号的幅值增加的特定闪烁频率，并且利用确定出的特定闪烁频率计算叶片扭转角。

该方法有利地可以在无需昂贵和/或脆弱部件的情况下实施。特别地，在风力涡轮机叶片中无需电气部件并且所使用的硬件稳健、易于设置并且便宜。

第一和第二发射器可以沿风力涡轮机叶片的翼弦方向互相间隔开。附加地或可选地，第一发射器可以定位在风力涡轮机叶片的前缘处或附近并且第二发射器可以定位在风力涡轮机叶片的后缘处或附近。叶片的边缘受到由扭转引起的更大的相对运动影响并且由此将第一和第二发射器在相反边缘处间隔开给予对于叶片扭转程度的更准确的指示。

第一和第二发射器可以定位在风力涡轮机叶片的梢部附近。发射器可以有利地定位在叶片梢部附近，因为就是叶片的这个部分可能受到最严重的弯曲影响。

在某些实施方式中，该方法包括利用确定出的特定闪烁频率来计算第一距离与第二距离之间的差值，并且利用计算出的第一距离与第二距离之间的差值来计算叶片扭转角。来自第一和第二发射器的闪烁信号可以被基本上同时地发射。这允许更容易地计算第一距离与第二距离之间的差值。

来自第一和第二发射器的闪烁信号的幅值可以是基本上相同的。以特定频率发射闪烁信号可以导致在接收器处接收到的信号的幅值大致两倍于发射出的闪烁信号的幅值。这使确定特定频率的值更加简单。

接收器可以配置在风力涡轮机的第二叶片上。对于第一和第二发射器，这给予恒定参照点。接收器可以附加地定位在第二风力涡轮机叶片的梢部附近。

在某些实施方式中在风力涡轮机叶片上提供多个第一发射器和多个第二发射器。在这样的实施方式中，第一发射器沿风力涡轮机叶片的至少一部分的长度互相间隔开并且第二发射器沿风力涡轮机叶片的至少一部分的长度互相间隔开。附加地或可选地，该方法可以包括在第二风力涡轮机叶片上提供多个接收器，接收器沿第二风力涡轮机叶片的至少一部分的长度互相间隔开。这允许确定叶片的不同部分的扭转，并且还允许近似获得(approximate)叶片的总体扭转。

该方法可以包括将闪烁信号从远程定位的源经由沿风力涡轮机叶片纵向地延伸的第一光纤通信到第一和第二发射器，并且将接收到的闪烁信号经由沿风力涡轮机叶片纵向地延伸的第二光纤通信到定位在远处的检测器。这有利地免除对于叶片上的电气部件的需求并且替代地提供一种可以利用抗雷电的硬件实施的方法。

根据本发明的另一个方面提供一种用于确定风力涡轮机叶片的叶片扭转角的系统，该系统包括：风力涡轮机叶片上的第一和第二发射器，每个发射器配置成发射具有闪烁频率的闪烁信号；配置成接收闪烁信号的接收器；以及配置成改变闪烁信号的闪烁频率的控制器。该系统还包括处理器，该处理器配置成在闪烁频率改变时监控由接收器接收到的闪烁信号的幅值，以确定导致由接收器接收到的闪烁信号的幅值增加的特定闪烁频率，并且利用确定出的特定闪烁频率计算叶片扭转角。第一发射器以第一距离与接收器隔开并且第二发射器以第二距离与接收器隔开，并且发射器设置成使得叶片的扭转引起第一或第二距离中的一个增加并且引起第一和第二距离中的另一个减少。

接收器可以定位在第二风力涡轮机叶片上。

发射器和/或接收器中的一个或多个可以是安全评级的。处理器可以是安全评级的或该系统可以包括单独的安全评级的处理器。系统可以还包括安全控制器，该安全控制器配置成在计算出的叶片扭转程度可能引起与风力涡轮机的操作有关的安全问题的情况下覆盖风力涡轮机的其它控制系统。这样的覆盖可以包括安全控制器控制叶片桨距，从而使得避免叶片的不安全操作。

该系统还可以实施一定程度的自我检查以确保其正确地操作。例如，当该系统运行时，则接收器预期以某些时间间隔从发射器接收信号。如果信号未按预期被接收，则系统可以认为风力涡轮机叶片并未安全操作并且安全控制器可以采取恰当的动作。

根据本发明的又一个方面提供一种包括在上文中公开的任一系统的风力涡轮机。

附图说明

以通过本发明的背景技术的方式描述图1，2a和2b，其中：

图1是示例性风力涡轮机叶片的立体图，该风力涡轮机叶片在根部处具有圆形的横截面，并且从根部向外具有翼形的横截面轮廓；以及

图2a是图1的叶片的梢部的横截面的示意图，所述梢部具有0弧度的叶片扭转角，而图2b展示θ>0弧度的叶片扭转角。

现在将会仅参照以下附图通过非限制性实施例的方式描述本发明的实施方式，其中：

图3是在水平轴线风力涡轮机中使用的转子-轮毂组件的立体前视示意图，该转子-轮毂组件依照本发明的实施方式配置；

图4是图3的转子-轮毂组件的立体侧视示意图；

图5a，5b和5c示出定位在图3和4的转子-轮毂组件的第一叶片上的两个光学发射器的示意图，并且该光学发射器以给定的频率f发射闪光，该闪光随后由定位在图3和4的转子-轮毂组件的第二叶片上的光学接收器接收；图5a示出θ＝0并且f为任意值的情况；图5b示出θ>0并且f取某个值的情况，从而使得来自相应发射器的闪光并非基本上同时地由接收器接收；图5c示出θ>0并且f取某个值的情况，从而使得来自相应发射器的闪光基本上同时地由接收器接收；

图6a，6b和6c示出在图5a和5b中示出的接收器处接收到的闪光的幅值的简图，幅值相对于时间绘制；图6a示出θ＝0并且f为任意值的情况；图6b示出θ>0并且f取某个值的情况，从而使得来自相应发射器的闪光并非基本上同时地由接收器接收；图6c示出θ>0并且f取某个值的情况，从而使得来自相应发射器的闪光基本上同时地由接收器接收；

图7a和7b是示出当在图3和4中示出的第一叶片的梢部相对于x轴旋转时，在图5a和5b中示出的两个光学发射器如何定位在距光学接收器的不同距离处的示意图，该光学接收器定位在第二叶片上；图7b示出当进行某些特定近似时，点ABB’如何形成直角三角形；以及

图8a，8b和8c展示呈现在圆内的图7b的直角三角形ABB’，该圆的直径(表示为AB)等于定位在图3或4的第一叶片上的两个光学发射器的物理隔开距离，并且展示叶片扭转角如何涉及距离AB和BB’；图8a展示当叶片扭转角处于0<θ<π/2弧度的范围内时形成的直角三角形ABB’；图8b示出当叶片扭转角为0弧度时行程的水平翼弦AB；并且图8c示出当叶片扭转角为π/2弧度时形成的竖直翼弦AB。

具体实施方式

图3示意性地展示如在水平轴线风力涡轮机中所具有的转子-轮毂组件22。展示出的转子-轮毂组件22包括经由变桨机构(未示出)固定到中心轮毂26的三个涡轮机叶片24a，24b，24c。叶片24a，24b，24c具有如图1所示的横截面轮廓16，并且设置成当风沿基本上垂直于并且进入到纸平面中的方向入射在叶片24a，24b，24c上时引起转子-轮毂逆时针旋转，如由方向箭头28指示出的那样。

图4是图3的转子-轮毂组件22的侧视立体图。

转子-轮毂组件22的每个叶片24a，24b，24c配置有至少两个光学发射器30a，30b(分别定位在方位A和B处)，和至少一个光学接收器32(定位在方位C处)。第一个光学发射器30a设置在每个叶片24a，24b，24c的前缘18处，并且第二个光学发射器30b设置在后缘20处。第一和第二光学发射器30a，30b沿每个叶片24a，24b，24c的翼弦方向D分隔开，该翼弦方向基本上垂直于每个叶片的纵向轴线L。光学发射器30a，30b定位成基本上在每个叶片24a，24b，24c的梢部附近，以能够准确确定叶片扭转角θ。

定位在第一叶片24a上的至少两个发射器30a，30b每个配置成以基本上相同的已知闪烁频率(表示为f)发射闪光34a，34b(也称为闪烁信号34a，34b)；即，对于发射器30a和30b，每个发射出的闪光之间的时间间隔基本上相等。附加地，在每个闪光从发射器30b发射时，来自发射器30a的每个闪光被基本上同时地发射。闪光34a，34b随后由定位在第二相邻叶片24b上的接收器32接收。接收器32配置成测量接收到的闪光34a，34b的幅值。应注意到的是，定位在第二叶片24b上的发射器30a，30b发射由第三叶片24c上的接收器32接收的闪光34a，34b，并且定位在第三叶片24c上的发射器30a，30b发射由第一叶片24a上的接收器32接收的闪光34a，34b。发射器30a，30b配置成使得发射出的闪光34a，34b的频率可以可控地改变，如在下文中讨论的那样。

在来自发射器30a，30b的由接收器32接收的闪光34a，34b的特性的基础上计算第一叶片24a相对于第二叶片24b的扭转角θ，如现在将会参照其余附图详细解释的那样。

图5a和5b示出在方位A,B处的分别发射闪光34a，34b的发射器30a，30b的示意图。如上文所述，来自发射器30a的每个闪光34a与来自发射器30b的对应的闪光34b被基本上同时地发射。附加地，闪光34a，34b以恒定时间间隔t₁分别从发射器30a，30b发射，这意味着来自发射器30a的每个闪光34a之间的距离和来自发射器30b的每个闪光34b之间的距离通过s₁＝vt₁给出，其中v是光速。此外，发射出的闪光34a，34b的幅值基本上相等。

图5a和5b还示出发射器30a，30b以表示为AB的距离间隔开。

图5a示出叶片扭转为0的情况，即，当θ＝0时。在这种情况下，发射器30a，30b和接收器32的布置配置成使得发射器30a与接收器32之间的表示为AC的距离等于发射器30b与接收器32之间的表示为BC的距离(即AC＝BC)。这意味着对于闪烁频率f的所有值，从发射器30a，30b发射出的相应闪光34a，34b在接收器32处被基本上同时地接收。

图5b示出叶片扭转不为0的情况，即，当θ>0时。在这种情况下，发射器30a与接收器32之间的距离小于发射器30b与接收器32之间的距离(即AC<BC)。这意味着对于闪烁频率f的所有值，从发射器30a，30b发射出的相应闪光34a，34b在接收器32处不再被基本上同时地接收。

图5c也示出非0叶片扭转的情况，θ>0；然而，与图5b不同，闪烁频率f等于表示为f₀的所谓的特定闪烁频率，从而使得闪光34a，34b在接收器32处被基本上同时地接收。这在下文中更详细地讨论。

图6a，6b和6c分别示出在对于θ＝0且闪烁频率f为任意值的情况下(如图5a中所示)，在θ>0且f≠f₀的情况下(如图5b中所示)，和在θ>0且f＝f₀的情况下(如图5c中所示)，在接收器32处接收到的信号的幅值的简图。特别地，图6a示出当θ＝0,时，两个闪光(分别来自每个发射器30a，30b)基本上同时地到达接收器32处，从而使得这些接收到的信号重叠，并且因此当由接收器32测量时登记为单一峰值。每个峰值之间的时间间隔t₁等于每个从相应的发射器30a，30b发射出的闪光34a，34b之间的时间间隔(即t₁＝1/f)。

与此相反，图6b示出当θ>0且f≠f₀时，在接收器32处接收到的基本上同时地发射出的闪光34a与34b之间存在表示为t_d的时间差。这意味着这些接收到的信号不重叠，并且因此当由接收器32测量时登记为两个单独的峰值。应注意到的是，图6b中的测量出的峰值因此与图6a中相比基本上数量倍增，但幅值减半。

图6c示出当θ>0且f＝f₀时，两个闪光(分别来自每个发射器30a，30b)基本上同时地到达接收器32处，从而使得这些接收到的信号重叠，并且因此当由接收器32测量时登记为单一峰值(如在图6a中示出的θ＝0的情况)。

为了可以确定扭转角θ，将会确定表示为s_d的从发射器30a到接收器32的距离与从发射器30b到接收器32的距离之间的差值(其中s_d＝AC-BC)。可能实现这个的一个方法是通过测量来自相应的发射器30a，30b的闪光34a，34b之间的时间t_d，接下来利用关系式s_d＝vt_d，其中v依然取为光速。然而，该方式将会需要设计成测量相应的接收到的闪光34a，34b之间的时间的高级设备，这将会是昂贵的并且可能过于脆弱以至于不能定位在风力涡轮机叶片上。

替代地，描述一种免除对于这样的设备的需求的可选的方法。特别地，对于每个发射器30a，30b，闪烁频率f(即来自发射器30a的每个闪光34a之间的时间间隔和来自发射器30b的每个闪光34b之间的时间间隔)以基本上相同的量改变。这继而意味着来自给定的发射器的每个闪光之间的距离s₁也改变。特别地，发射闪光34a，34b的闪烁频率f改变，直到来自给定的发射器的每个闪光之间的距离基本上等于从发射器30a到接收器32的距离与从发射器30b到接收器32的距离的差值，即，直到s₁＝s_d。如上文所述，发生这种情况的闪烁频率f称为特定频率f₀(并且如图5c中所示)。

当闪烁频率取某值从而使得s₁＝s_d时(即当f＝f₀时)，并且在叶片扭转导致发射器30b与发射器30a相比更远离接收器32的情况下(即当BC-AC>0从而使得θ>0时，如各图所示)，来自发射器30a的闪光34a和在所述闪光34a之前被发射的来自发射器30b的闪光34b基本上同时地在接收器32处被接收(即如图5c中所示)。这意味着在接收器32处接收到的这两个闪光34a，34b将会登记为基本上双倍于将会从单一闪光被登记的幅值的单一峰值(即如图6c中所示)。因此，实际上，发射出的闪光34a，34b的频率f改变，直到获得基本上双倍于单一闪光的幅值的接收到的信号。

应注意到的是，该方法可以容易地适用于发射器30b与发射器30a相比更靠近接收器32的情况(当AC>BC从而使得θ<0时)。

可以接下来如下所述近似获得扭转角θ。

图7a是示出当第一叶片梢部24a相对于x轴旋转时，从每个发射器30a，30b到接收器32的距离如何不相等(特别地，AC<BC)的示意图。发射器30a，30b的方位A,B相对于接收器32的方位C被展示。距离s_d＝BC-AC由线段BB’代表。如上所述，发射器30a，30b之间的真实物理分隔距离为AB。线段AC和B’C的长度相等(即AC＝B’C)。距离BB’为相对于从第一发射器30a发射出的第一闪光34a，从第二发射器30b发射出的第二闪光34b前往接收器32的附加距离。当距离BB’等于从发射器30a，30ba发射出的每个相应的闪光34a，34b之间的距离时，基本上双倍于单一闪光产生的幅值的单一峰值在接收器32处被登记。

参照三角形AB′C,，因为距离AC和B’C显著大于距离AB，所以合理的近似是假定AC和B’C基本上平行定向。这是因为在AC与B’C之间形成的夹角γ显著小于在B’C与B’A之间和在AB’与AC之间形成的夹角。图7b展示AC和B’C基本上平行定向。在这种假定的基础上，三角形ABB’是与x轴具有夹角θ的直角三角形。

图8a，8b，和8c展示对于扭转角θ的不同值，绘制在直径等于线AB(即直径等于发射器30a，30b之间的物理分隔距离)的圆上的直角三角形ABB’。沿叶片24a，24b，24c的翼弦方向的光学发射器之间的物理分隔距离AB是恒定的，并且当发射器安装在叶片上时被准确地测量(即AB是已知值)。

距离BB’通过分析在接收器32处测量出的信号的特性、经验地利用发射器30a，30b和接收器32确定。在第一实施方式中，第一叶片24a相对于第二叶片24b设置成使得0<θ<π/2(如图8a中所示)。发射闪光34a，34b的频率f接下来以已知量改变。改变频率f引起来自给定的接收器的连续闪光之间的距离改变。例如，频率f可以从第一已知频率改变到不同于第一频率的第二已知频率。假定在频率改变时，距离BB′维持基本上恒定(即扭转角θ维持基本上恒定)，则当从发射器30a发射出的闪光34a和在所述闪光34a之后直接地从发射器34b发射出的闪光34b在接收器32处登记为单一峰值时，BB′基本上等于来自给定的发射器30a，30b的连续闪光之间的距离，如上所述。这在下文的仅用于展示目的提供的实施例中被更详细地展示。

当θ>0时，从发射器30a，30b发射出的相应的闪光34a，34b将会在接收器32处重叠的特定频率f₀可以通过可控地改变f来确定，如上所述。距离BB′可以接下来利用以下关系式确定：

图8a展示扭转角θ处于0<θ<π/2区间中的情况。鉴于距离AB是先验已知的，并且距离BB′已利用上述方法确定，则简单三角法可以用于获得扭转角θ，即：

实际上，扭转角θ可能被限制在区间0≤θ≤π/2内。这导致两个极端情况的可能性，即θ＝0和θ＝π/2，如分别在图8b和8c中展示的那样。

图8b展示在θ＝0的情况下，距离BB′为0，以使得发射器30a，30b与接收器32等距。图8c展示在θ＝π/2的情况下，距离BB′等于发射器30a，30b的物理分隔距离，即AB。

如果例如重叠频率被发现为f₀＝1吉赫兹(并且利用近似关系v＝3×10⁸米每秒)，则距离BB′为0.3米。接下来如果例如发射器30a，30b之间的距离为0.4米(即AB＝0.3)，则扭转角被近似获得为弧度。

综上所述，距离BB’通过可控地改变由发射器30a，30b发射出的闪光的频率并且在接收器32处观测接收到的信号的幅值来确定。频率改变，直到接收器32检测到闪烁的幅值增加，如双倍于该实施例中的幅值。这当连续闪烁之间的物理分隔匹配相应的发射器30a，30b与接收器32之间的光学路径差(BB′)时发生，以使得接收器32基本上同时地接收来自发射器30a，30b两者的闪烁。发生这种情况的频率f₀接下来用于计算距离BB′。

在该实施例中，发射器30a，30b可以配置成以0.5-2吉赫兹的间隔发射闪光。可选地，发射器30a，30b可以配置成以不同频率间隔发射闪光34a，34b。一旦已确定距离BB′，则可以如上所述近似获得叶片扭转角θ。

在使用中，发射器30a，30b可以配置成持续地发射闪光34a，34b，以便持续地测量扭转角θ；或可选地，发射器30a，30b可以当需要对于叶片梢部进行准确测量时启动。

为了避免导电材料存在于叶片24a，24b，24c内，光纤用于将光学信号从定位在轮毂内部的源发射到定位成基本上在叶片梢部附近的发射器30a，30b。

在此描述出的实施方式可以用于桨距控制策略和/或控制叶片上的应力载荷。

应认识到的是，对于直角三角形，用于确定叶片扭转角θ的上述方法成立。在三角形ABB′可以合理地被近似获得为直角三角形的情况下，这些公式的使用提供θ的值的合理的近似。当两个相邻的涡轮机叶片24a，24b之间的分隔距离远大于分别定位在A,B处的发射器30a，30b之间的物理分隔距离时，该近似不会在计算出的θ的值中引入过大的误差。实际上，如能够从图6a中看出的那样，三角形ABB’并非直角三角形。

当前的方法仍然可以用于确定扭转角，即使上述近似不成立。在这种场合，可以使用可应用于非直角三角形的已知三角函数关系式。例如，正弦定理、余弦定理、正切定理和余切定理中的任何一个或多个或对于非直角三角形成立的任何其它已知三角函数公式可以用于确定叶片扭转角。因为上述三角函数定理在本领域中是周知的，所以无需在此提供其详细讨论。

在不同实施方式中，当θ＝0时，距离AC和BC无需相等。

当前的实施方式描述在每个风力涡轮机叶片上具有两个光学发射器和一个光学接收器的布置；然而，根据需要，每个叶片可以包括更多或更少发射器和/或接收器。例如，图3展示包括两对光学发射器30a，30b和44a，44b的第一叶片24a。相对于第一对光学发射器30a，30b，第二对光学发射器44a，44b沿第一叶片24a的纵向轴线L定位在不同方位处。光学发射器的这种配置使第一叶片24a的扭转程度能够在不同纵向方位处被确定。当第一叶片24a的桨距沿其纵向轴线L改变时，这种情况是有利的，该改变可以当第一叶片24a受到高应力影响时出现。继而，每个叶片24a，24b，24c可以配置有多个不同光学接收器，每个不同的接收器设置成测量由不同对光学发射器产生的发射出的信号。

术语‘扭转角’可以指代在沿叶片的纵向轴线L的任何点处的叶片角，并且不限制于在叶片梢部附近的角度。

在不同实施方式中，发射器30a，30b可以不发射呈闪光形式的信号，而是替代地发射来自光谱的不同部分的电磁信号。接收器32可以接下来配置成接收由发射器发射出的信号的类型。

来自不同发射器的闪光的强度无需基本上相等，并且可以是任何强度。

每个发射器与每个接收器之间的夹角将会取决于例如接附到风力涡轮机的叶片的数量和发射器和接收器在相应的叶片上的方位。这些区别在每个个别情况下将会是已知的并且可以由本领域技术人员容易地结合到上述方法中。

替代包括将闪烁信号发射到单一接收器的一对发射器的布置，布置可以被修改以包括将闪烁信号朝向两个接收器沿两个不同方向发射的单一发射器。上述方法可以以类似方式使用以利用在两个接收器处接收到的信号来确定叶片扭转角。

对于包括任何数量的涡轮机叶片的风力涡轮机，当前的方法可以用于计算叶片扭转角。尽管在此描述出的实施方式涉及包括三个叶片的风力涡轮机，但这是非限制性的，仅用于展示目的。

除了确定叶片扭转角之外，还可能期望确定叶片弯曲的程度，特别是叶片梢部附近弯曲的程度。当确定叶片扭转角时，这样的信息也可以被考虑到，并且在弯曲程度在给定的时间在各个叶片之间不同的情况下特别有用。

在此描述出的实施方式仅用于展示目的提供并且不应被解释为限制在所附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims

1.一种确定风力涡轮机叶片的扭转角的方法，所述方法包括：

a.在风力涡轮机叶片上提供第一和第二发射器，第一发射器以第一距离与接收器隔开，并且第二发射器以第二距离与所述接收器隔开，发射器设置成使得叶片的扭转引起第一或第二距离中的一个增加并且引起第一或第二距离中的另一个减少；

b.从第一和第二发射器中的每个朝向接收器发射闪烁信号，闪烁信号具有闪烁频率；

c.改变闪烁信号的闪烁频率；

d.在闪烁频率改变时，监控由接收器接收到的闪烁信号的幅值；

e.确定导致由接收器接收到的闪烁信号的幅值增加的特定闪烁频率；以及

f.利用确定出的特定闪烁频率来计算叶片扭转角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一和第二发射器沿风力涡轮机叶片的翼弦方向互相间隔开。

3.根据权利要求1给权利要求2所述的方法，其中第一发射器定位在风力涡轮机叶片的前缘处或附近，并且第二发射器定位在风力涡轮机叶片的后缘处或附近。

4.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中第一和第二发射器定位在风力涡轮机叶片的梢部附近。

5.根据在前权利要求中任一项所述的方法，包括利用确定出的特定闪烁频率来计算第一距离与第二距离之间的差值，并且利用计算出的第一距离与第二距离之间的差值来计算叶片扭转角。

6.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中来自第一和第二发射器的闪烁信号被基本上同时地发射。

7.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中来自第一和第二发射器的闪烁信号的幅值是基本上相同的，并且以特定频率发射闪烁信号导致在接收器处接收到的信号的幅值大致两倍于发射出的闪烁信号的幅值。

8.根据在前权利要求中任一项所述的方法，包括在第二风力涡轮机叶片上提供接收器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中接收器定位在第二风力涡轮机叶片的梢部附近。

10.根据在前权利要求中任一项所述的方法，包括在风力涡轮机叶片上提供多个第一发射器和多个第二发射器，第一发射器沿风力涡轮机叶片的至少一部分的长度互相间隔开，并且第二发射器沿风力涡轮机叶片的至少一部分的长度互相间隔开。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，包括在第二风力涡轮机叶片上提供多个接收器，接收器沿第二风力涡轮机叶片的至少一部分的长度互相间隔开。

12.根据在前权利要求中任一项所述的方法，包括将闪烁信号从远程定位的源经由沿风力涡轮机叶片纵向地延伸的第一光纤通信到第一和第二发射器，并且将接收到的闪烁信号经由沿风力涡轮机叶片纵向地延伸的第二光纤通信到定位在远处的检测器。

13.一种用于确定风力涡轮机叶片的叶片扭转角的系统，所述系统包括：

风力涡轮机叶片上的第一和第二发射器，每个发射器配置成发射具有闪烁频率的闪烁信号；

接收器，所述接收器配置成接收闪烁信号；

控制器，所述控制器配置成改变闪烁信号的闪烁频率；

处理器，所述处理器配置成在闪烁频率改变时监控由接收器接收到的闪烁信号的幅值，以确定导致由接收器接收到的闪烁信号的幅值增加的特定闪烁频率，并且利用确定出的特定闪烁频率来计算叶片扭转角，

其中第一发射器以第一距离与接收器隔开，并且第二发射器以第二距离与接收器隔开，并且发射器设置成使得叶片的扭转引起第一或第二距离中的一个增加并且引起第一或第二距离中的另一个减少。

14.根据权利要求13所述的系统，其中接收器定位在第二风力涡轮机叶片上。

15.一种风力涡轮机，包括权利要求13或权利要求14所述的系统。