CN107165788B - 一种水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，包括：在无风时，确定轮毂最外侧点J，在机组前方确定第一固定点A，在点A前确定第二固定点B。在点A处设置第一激光光源，当第一激光光源的投射点与点J重合时，将标尺立于B点，确定无风时的第一激光光源角∠KAB。当第一激光光源的投射点与点J重合时，在塔筒轴线EF和机舱轴线FJ构成的平面内，设置第二激光光源，且当第二激光光源的投射点与J重合时，确定第一测量点C。以相同的方法确定水平风速为V时的第一激光光源角∠LAB和第二测量点D。本发明采用激光发射器获得空间测量上的几何边线，通过地面固定点解决在机舱上测量迎风仰角固定点漂移的问题，通过几何的方法求得夹角和边线的数值。

Description

一种水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法。

背景技术

水平轴风力发电机组的结构如图1所示，包括塔筒1、机舱2、叶片3。风电机组在受到不同的风速(风能载荷)影响下，风轮平面(叶片3构成的平面)会发生一定的倾斜，该倾斜导致不仅存在水平方向上的对风偏差，还存在垂直方向上的对风偏差。请参考图1，图1为无风时的水平轴发电机组的状态示意图。当风速为0，即无风状态下，风轮平面为ST平面。水平方向和垂直方向均无倾斜。请再参考图2，图2为有风时的水平轴发电机组的受风状态示意图。受到风力作用，风轮平面变为UV平面。UV平面与水平面有一定角度的倾角，即形成了垂直方向上的对风偏差，该偏差的结果是形成了迎风仰角。虽然垂直方向上的对风偏差量相比于水平方向上要小很多，但是由于该偏差量的存在，对风电机组的出力仍产生了一定的影响。具体请参考图3，图3为有风时的水平轴发电机组的风速分析图。由于风轮平面UV的倾斜，使得有效风速(垂直于风轮平面的风速)由W变为W1，而W1小于W，导致风机的出力降低。

可见，如何有效调整垂直方向上的对风偏差，有利于提升风力发电机组在风速一定的条件下的出力。也就是说如何有效的测量出迎风仰角在不同风速条件下的大小。目前，垂直方向上的对风采用固定的水平对准的方法，即无论风向如何均确定为水平来风。在对迎风仰角测量上，采用在风机机舱上设置全站仪4进行角度测量的方式，如图1所示，全站仪使用者在机舱上先对地面的固定点进行风机原始状态下的仰角测量，并置零度，当一定风速下，然后再对地面的固定点进行角度测量，这样就可以得出一个仰角角度。但是该方法存在以下的问题：在一定风速条件下，塔筒1、机舱2、叶片3均受到载荷，均会发生形变。请参考图1和图2，无风时，塔筒1轴线为EF，机舱2轴线为FJ，在风力载荷的影响下，EF倾斜形成EG，FJ倾斜形成GH，从而导致全站仪的测量位置发生根本性变化，即测量点发生偏移。在微小角度测量的条件下，这个偏移将导致测得的迎风仰角角度和实际角度不符。

发明内容

本发明提供了一种水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，通过地面固定点的方法来解决在机舱上测量迎风仰角固定点漂移，得到更加准确的迎风仰角数值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的无风时的水平轴发电机组的状态示意图；

图2为本发明提供的有风时的水平轴发电机组的受力状态示意图；

图3为本发明提供的有风时的水平轴发电机组的风速分析图；

图4为本发明提供的水平轴风力发电机组的迎风仰角的测试过程示意图；

其中:1-塔筒，2-机舱，3-叶片，4-全站仪，5-轮毂。

具体实施方式

本发明提供一种水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，通过地面固定点的方法来解决在机舱上测量迎风仰角固定点漂移，得到更加准确的迎风仰角数值。

图4中本发明提供的水平轴风力发电机组的迎风仰角的测试过程示意图，其中，EF为塔筒轴线线，FJ为机舱轴线，J点为轮毂最外侧点。E点为塔筒中心点，位置可根据塔筒内圆来确定。受来风影响，整个塔筒1将会发生倾斜，形成GE弧线，同时机舱2也会发生倾斜，轴线FJ也将有一定的倾斜，形成有一定弧度的GH线，H点为受风后轮毂最外侧点。迎风仰角的测量就是要测量∠HFJ。而不是测量∠HGJ或∠HGF的角度。另外HF的长度由于受风力的影响相比原来直线的FJ显然要略短，这也就是不能简单的认为FJ＝HF，正常HF＜FJ。也就是说H点在空间上存在很大的不确定性。

为了克服目前直接在机舱上利用全站仪测量迎风仰角时，由于忽略上述H点的不确定，而导致的迎风仰角的测量不准确的问题，本发明提供了一种水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，包括以下步骤：

第一步：确定塔筒的圆心E点位置，查找相关设计资料，获得塔筒轴线高度EF，机舱轴线长度FJ。

第二步：在无风时，确定轮毂最外侧点J，可利用轮毂上已有的标记或者现场标记均可。然后，在机组的叶片3前方确定第一固定点A，第一固定点A位于塔筒轴线EF和机舱轴线FJ构成的平面内，且高度与塔筒的底面平齐，如图4所示。在第一固定点A与塔筒轴线EF构成的平面内，确定第二固定点B,第二固定点B的高度与第一固定点A的高度相等。

在第一固定点A处设置第一激光光源，当第一激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，将标尺立于B点，得到第一激光光源在标尺上的投射点K；当第一激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，在塔筒轴线EF和机舱轴线FJ构成的平面内，设置第二激光光源，且当所述第二激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，确定第二激光光源的位置即为第一测量点C,第一测量点C的高度与所述第一固定点A的高度相等，测量得到AC距离，又根据A和E的位置，可以得出EC的距离。

通过标尺上K点的刻度以及AB段的长度，可以得到无风时的第一激光光源角∠KAB的角度值；在图4中可知，∠KAB＝∠CAJ,即∠CAJ至此可得，而根据JC＝AC×tan∠CAJ，就可以算得JC。图4中，从J点向EF线做垂线PJ，同时以F点为顶点画一条FQ的水平线，交HJ于Q点。可知FP＝EF-JC，至此FP可得。

第三步：利用标尺，确定水平风速为V时的第一激光光源角∠LAB的角度值，具体是指，水平风速为V时，当第一激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，将标尺立于B点，得到第一激光光源在标尺上的投射点L。必须在水平风速同为V不变化时，继续确定第二测量点D，否则会倒是最终迎风仰角的测量错误。第二测量点D的确定过程如下：当第一激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，且与此同时，第二激光光源的投射点也与轮毂最外侧点J重合时，确定第二光源的位置为第二测量点D,第二测量点D的高度与所述第一测量点C的高度相等，测量得到AD距离。通过标尺上L点的刻度以及AB段的长度，可以等到有风时的第一激光光源角∠LAB的角度值。在图4中可知，∠LAB＝∠DAH,即∠DAH至此可得，而根据HD＝AD×tan∠DAH，就可以算得HD。

在图4中，FQ线和HD线交叉于R点，则有：HR＝HD-RD＝HD-EF；FR＝ED。要测的迎风仰角为∠HFJ＝∠HFR+∠QFJ；而∠HFR＝arctan(HR/FR)，那么至此∠HFR可知。而∠QFJ＝∠FJP，而∠FJP＝arcsin(FP/FJ)，至此迎风仰角∠HFJ可知。

综上所述，本发明提供的方法，采用可见的激光发射器获得空间测量上的几何边线，通过地面固定点的方法来解决在机舱上测量迎风仰角固定点漂移的问题，通过几何的方法求得夹角和边线的数值。该方法能有效测量风机的实际安装轴线情况及不同风速下的风机倾斜，为进行风机调整提供技术支撑，最大限度的将风能转换为风机的机械能。

需要说明的是，第一，本发明提供的仰角测量方法，在实际操作中，第一固定点A的位置可以选择在与塔筒的圆心E点间的距离为50m至100m的位置。第一固定点A与第二固定点B之间的距离可以设定为1m至2m。在这样的距离下，无风和有风时，激光光源在J点的投射点位置的偏差较小，以便获取较为准确的对应的标尺刻度K和L，提高迎风仰角∠HFJ的测量精度。

第二，因为本发明利用的是地面固定点的方法，所以相比起现有的全站仪测量方法，无论EF或FJ发生何种弯曲，侧得迎风仰角的数值均为实际角度，不受塔筒或机舱倾斜弯曲的影响。

第三，本发明提供的测量方法，不仅适用于发电机组位于平整地面的情况，也适用于AC之间没有障碍物的不平整地形。具体地，需要第三激光光源设置在A出，保证A、E位于同一水平线上。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定塔筒的圆心E点位置，获取塔筒轴线高度EF，机舱轴线长度FJ；

在无风时，确定轮毂最外侧点J，在机组的叶片前方确定第一固定点A，所述第一固定点A位于塔筒轴线EF和机舱轴线FJ构成的平面内，且高度与塔筒的底面平齐；

在第一固定点A与塔筒轴线EF构成的平面内，确定第二固定点B,所述第二固定点B的高度与第一固定点A相等；

在所述第一固定点A处设置第一激光光源，当第一激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，将标尺立于B点，得到第一激光光源在在标尺上的投射点K；

确定无风时的第一激光光源角∠KAB的角度值；

当第一激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，在塔筒轴线EF和机舱轴线FJ构成的平面内，设置第二激光光源，且当所述第二激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，确定第一测量点C,第一测量点C的高度与所述第一固定点A的高度相等，测量得到AC距离；

根据∠KAB＝∠CAJ和JC＝AC×tan∠CAJ获得JC；

从J点向EF线做垂线PJ，以F点为顶点画一条FQ的水平线，交HJ于Q点，根据FP＝EF-JC获得FP；

利用标尺，确定水平风速为V时的第一激光光源角∠LAB的角度值；

水平风速为V时，当第一激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，且所述第二激光光源的投射点也与轮毂最外侧点J重合时，确定第二测量点D,第二测量点D的高度与所述第一测量点C的高度相等，测量得到AD距离；

根据∠LAB＝∠DAH和HD＝AD×tan∠DAH获得HD；

根据FQ线和HD线交叉于R点，获得HR＝HD-RD＝HD-EF、FR＝ED，并根据HR＝HD-RD＝HD-EF、FR＝ED和∠HFR＝arctan(HR/FR)获得∠HFR；

根据∠QFJ＝∠FJP和∠FJP＝arcsin(FP/FJ)获得∠QFJ，并根据∠HFJ＝∠HFR+∠QFJ获得迎风仰角∠HFJ。

2.根据权利要求1所述的水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，其特征在于，

所述利用标尺，确定有风时的第一激光光源角∠LAB的角度值具体是指：

水平风速为V时，当第一激光光源的投射点与轮毂最外侧点J重合时，将标尺立于B点，得到第一激光光源在标尺上的投射点L。

3.根据权利要求1所述的水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，其特征在于，测得的仰角的范围-30°至+60°。

4.根据权利要求1所述的水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，其特征在于，第一固定点A与塔筒的圆心E点间的距离为50m至100m。

5.根据权利要求1所述的水平轴风力发电机组迎风仰角测量方法，其特征在于，第一固定点A与第二固定点B之间的距离为1m至2m。