CN108368832A - 用于操作风力涡轮机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作风力涡轮机的方法。所述方法包括测量风力涡轮机的转子叶片(100)的第一点(10)和与第一点间隔开的第二点(12)之间的扭转，以及基于所测量的扭转来确定风力涡轮机的至少一个参数，特别是所述至少一个参数的实际值，其中所述至少一个参数选自转子叶片(100)的迎角、桨距角、风速、入射角和流速。

Description

用于操作风力涡轮机的方法和装置
本公开涉及一种用于操作风力涡轮机的方法和装置，并且具体涉及一种在风力涡轮机的转子叶片中使用扭转测量以确定和/或设置参数(例如风力涡轮机的操作参数)的方法。
背景技术
在很多情况下，风力涡轮机的操作参数会连续地或以特定的时间间隔来进行检查和调节。许多机械工厂的部件会受到静态和动态载荷，使得转子叶片的迎角的目标设置例如可能会偏离实际的迎角。从而不能以精确的方式来执行这种操作参数(例如迎角)的调节或控制，因为在许多情况下只有目标设置是已知的。
因此，需要进一步改进用于操作风力涡轮机的方法和装置。特别需要进一步改进对风力涡轮机的某些操作参数的调节或控制。
发明内容
本公开的目的是提出一种用于操作风力涡轮机的方法和装置，其允许精确地调节或控制操作参数。本公开的特别的目的是以可靠的方式确定操作参数的实际值。
该目的通过独立权利要求的主题来解决。
根据本公开的实施例，提出了一种用于操作风力涡轮机的方法。该方法包括测量风力涡轮机的转子叶片的第一点和与第一点间隔开的第二点之间的扭转，以及基于所测量的扭转来确定风力涡轮机的至少一个参数。所述参数选自转子叶片的迎角、桨距角、风速、入射角和流速及其任意组合。
根据本公开的另一方面，提出了一种用于操作风力涡轮机的方法。该方法包括测量风力涡轮机的转子叶片的第一点和与第一点间隔开的第二点之间的扭转，以及对表示所述扭转的测量信号进行频率分析。
根据本公开的另一方面，提出了一种用于操作风力涡轮机的装置。该装置包括一个或更多个扭转传感器和控制装置，该控制装置被布置以执行根据本文所述的实施例的方法。
本公开的优选的可选实施例和特定方面将由从属权利要求、附图和本说明书得出。
根据本公开的实施例，扭转测量在风力涡轮机的转子叶片中执行。例如，能够提供扭转传感器以在多个横截面和/或半径处测量转子叶片中的扭转。所测得的扭转允许得出关于实际设置和实际值以及操作状态的结论，例如迎角、入射角、流速和转子叶片的颤振运动。可以基于所确定的实际设置和实际值和/或操作状态来对诸如迎角等操作参数进行精确设置。能够提高风力涡轮机的效率。
附图说明
本公开的示例性实施例在附图中示出并且将在下面更详细地进行描述。在附图中：
图1是根据本公开的实施例的具有用于测量扭转的两个点的转子叶片的示意图；
图2是根据本公开的实施例的分段测量扭转的转子叶片的示意图；
图3是根据本公开的另外的实施例的具有用于测量扭转的两个点的转子叶片的示意图；以及
图4是根据本公开的实施例的能够用于测量扭转的扭转传感器的示意图。
具体实施方式
除非另有说明，否则相同的附图标记将在下面用于相同的元件和具有相同作用的元件。
图1示出了根据本公开的实施例的具有用于测量扭转的两个点的转子叶片100的示意图。能够使用一个或更多个扭转传感器110来测量扭转。
扭转传感器110包括通过光导纤维11互连的第一点10和第二点12。转子叶片100围绕扭转轴线的扭转导致光导纤维11的转动角度从第一点10相对于第二点12变化。转动角度的变化引起穿过光导纤维11的光的偏振的变化。根据偏振的变化，能够确定转动角度的变化，从而确定转子叶片100的扭转。根据实施例，扭转轴线和/或光导纤维11沿着转子叶片100的纵向延伸线A延伸，例如基本上与其平行。根据实施例，纵向延伸线A可以对应于转子叶片轴线或者可以是转子叶片轴线。
根据能够与本文所述的其它实施例结合的实施例，扭转传感器110集成在转子叶片100中或设置在转子叶片100的上表面上。特别地，扭转传感器110机械地耦接到转子叶片100，使得转子叶片100围绕扭转轴线的扭转导致光导纤维11的转动角度从第一点10相对于第二点12变化。
根据本公开的一个方面，用于操作风力涡轮机的方法包括测量风力涡轮机的转子叶片100的第一点10和与第一点间隔开的第二点12之间的扭转，并且基于所测量的扭转来确定风力涡轮机的至少一个参数，特别是至少一个参数的实际值。所述至少一个参数选自转子叶片的迎角、桨距角、风速、入射角和流速。
风力涡轮机的参数是关于风力涡轮机的操作的变量。例如，参数可以是风力涡轮机的操作参数或者包括操作参数。操作参数可以是例如转子叶片的迎角或桨距角。迎角通常相对于参考平面来定义。桨距角可以表示转子叶片100相对于轮毂的角位置，转子叶片100可转动地安装到所述轮毂。入射角可以表示由转子叶片100限定的平面与风向之间的角度。流速可以表示空气冲击转子叶片的相对速度或相对平均速度。风速可以表示绝对风速。
风力涡轮机的参数可以根据所测量的扭转来确定，例如通过与预定值相比较来确定。例如，可以存储可以源自模拟和/或测试的预定值和/或从风力涡轮机的操作中推导出的经验值。另外地或替选地，可以使用算法将扭转的测量值转换为参数。
根据一个方面，在风力涡轮机的控制或调节过程中使用扭转或表示扭转的测量信号。根据一个方面，连续地测量扭转并且在控制或调节过程中连续地使用扭转。“连续地”指定了例如在模拟调节方法中的连续测量以及例如在数字调节方法中测量变量的连续采样。借助本文所述的方法和装置对转子叶片的扭转的测量可以以简单的方式来进行，这允许可靠地实施控制或调节过程。
所测量的扭转特别允许得出关于实际设置和实际值以及关于操作状态的结论，诸如迎角、入射角、风速、桨距角、流速和转子叶片100的颤振运动。可以基于所确定的真实(实际)设置和值和/或操作状态来对诸如迎角和/或桨距角等操作参数进行的精确设置。能够提高风力涡轮机的效率。
在一些实施例中，该方法还包括将至少一个参数和所述至少一个参数的至少一个目标值进行比较。例如，根据扭转确定出的表示至少一个参数的真实值的至少一个参数的实际值可能偏离目标值。能够确定偏差，例如实际值和目标值之差。在典型实施例中，该方法可以进一步包括基于所测量的扭转，特别基于与至少一个目标值的比较来设置转子叶片100的迎角和/或桨距角。风力涡轮机的操作参数能够利用改进的精确度来确定并且可选地进行调节。
根据能够可选地与上述方法结合的本公开的另一方面，提出了一种用于操作风力涡轮机的方法，其包括测量风力涡轮机的转子叶片的第一点和与第一点间隔开的第二点之间的扭转，并且对表示扭转的测量信号进行频率分析。为了获得测量信号，扭转可以特别地连续测量或者在一段时间内以预定的时间间隔测量。对测量信号的频率分析可以提供关于扭转随时间的变化的信息。例如，可以借助于频率分析来确定至少一个参数随时间的变化。频率分析通常包括傅里叶分析。
在几个实施例中，该方法可以进一步包括基于频率分析来确定转子叶片的颤振运动。颤振运动可以是转子叶片100的周期性或非周期性振动。当在测量信号中和/或在所确定的参数(例如迎角)的时间进程中出现振荡时，可以得出关于转子叶片100的颤振运动的结论。当振荡对应于预定模式时可以确定颤振运动的存在。例如，振荡可以表现出指示存在颤振运动的一个或更多个预定频率(频率分量)和/或振幅。根据实施例，可以调节或改变一个或更多个操作参数，例如转子叶片100的迎角和/或桨距角以减少或停止颤振运动。
根据能够与本文描述的其它实施例结合的实施例，执行频率分析可以包括确定固有频率，特别是固有扭转频率。该方法可以包括基于固有扭转频率来确定转子叶片100受异物的影响。例如，当固有频率在预定频率范围内或对应于预定频率时，可以确定转子叶片100受异物的影响。当固有频率在预定频率范围之外时，可以确定转子叶片100不受异物的影响。
例如，异物可以是冰或积冰。根据实施例，当存在异物的影响时，可以调节或改变一个或更多个操作参数，例如转子叶片的迎角和/或桨距角。因此，可以有效地解决异物的影响，例如以保持风力涡轮机的性能和/或避免损坏风力涡轮机。
图2示出了根据本公开的实施例的分段测量扭转的转子叶片200的示意图。
根据能够与本文所述的其它实施例结合的一些实施例，利用转子叶片200上的至少一个另外的点来执行扭转测量。例如，可以存在至少一个第三点。可以在第一点10和第二点12之间执行第一扭转测量。可以在第二点12和第三点之间执行另一扭转测量。
在一些实施例中，转子叶片200可以被细分为两个或更多个段。扭转测量可以在转子叶片200的两个或更多个段中的至少两个段中执行。例如，第一点10和第二点12可以位于转子叶片200的第一段210中。至少一个另外的点，优选至少两个另外的点可以设置在转子叶片200的第二段220中。
通常地，扭转测量可以在转子叶片200上的至少两个另外的点之间执行。例如，两个或更多个段中的第一段210可以包括第一点10和第二点12。两个或更多个段中的第二段220可以包括第三点14和第四点16。两个或更多个段中的第三段230可以包括第五点18和第六点20。通常，第一段210中可以存在第一扭转传感器，第二段220中可以存在第二扭转传感器，并且第三段230中可以存在第三扭转传感器。
在一些实施例中，例如参照图4所述的，两个或更多个段中的每个段可以具有其自身的扭转传感器。在其它实施例中，可以存在延伸跨过两个或更多个段的单个扭转传感器。
根据实施例，该方法可以包括分段确定流速。例如，可以针对两个或更多个段中的每个段确定相应的流速。在一些实施例中，转子叶片200的迎角和/或桨距角可以分段设置。对于两个或更多个段中的至少一些段，特别是基于针对相应的段所确定的(局部)流速，可以独立地设置迎角和/或桨距角。分段设置迎角可以通过与各个段相关联的局部致动器(例如电机和/或气动装置)来执行。
例如，分段确定扭转允许更有效地设置或改变转子叶片的迎角和/或桨距角。这允许改进风力涡轮机的性能。
图3示出了根据本公开的另外实施例的具有用于测量扭转的两个点的转子叶片300的示意图。
在图1和图2所示的实施例中，光导纤维11，特别是扭转传感器的光导纤维11的纵向延伸部沿着转子叶片的纵向延伸线A布置。
扭转传感器的光导纤维11可以例如基本平行于转子叶片的纵向延伸线来布置。
在图3所示的示例中，光导纤维11，特别是扭转传感器的光导纤维11的纵向延伸线基本垂直于转子叶片300的纵向延伸线A布置。
然而，本公开不限于此，并且扭转传感器的光导纤维11可以具有相对于转子叶片的纵向延伸线A的任何定向。例如，光导纤维11和转子叶片的纵向延伸线A可以包括从0°(平行)到90°(垂直)的任何角度。
根据能够与本文所述的其它实施例结合的实施例，提出了一种用于操作风力涡轮机的装置。该装置包括一个或更多个扭转传感器和控制装置，该控制装置被布置以执行根据本文所述的任一实施例的方法。例如，风力涡轮机或风力涡轮机的控制装置可以包括该装置。
图4示出了根据本公开的实施例的能够用于测量扭转的扭转传感器400的示意图。
扭转传感器400包括偏振光源410，偏振光源410包括发射偏振光的偏振光源，或者光学地耦合到光源的偏振器。扭转传感器400包括第一光导纤维430(在图1至3中由附图标记“11”来表示)，其光学地耦合到源410的输出端并在第一点10和第二点12处附接到转子叶片1(也称为“测量对象”)，使得转子叶片1围绕扭转轴线B的扭转导致第一光导纤维430的转动角度从第一点10相对于第二点12变化。
扭转传感器400包括第二光导纤维440，其在第二点12处或者相对于来自的源的光路在第二点12后面连接到第一光导纤维430，用于将光馈送到评估单元(未示出)。评估单元可以是被布置以执行根据本文所述的实施例的方法的装置。第一光导纤维430至少在一些区域中具有不是保偏光纤的光纤。第二光导纤维440是保偏光纤。在图4中，第一点10和第二点12之间的距离由附图标记“W”来表示。
在根据本文所述的实施例的方法中用于测量扭转的操作使用上述的扭转传感器400，并且包括在转子叶片1的第一点10和第二点12之间提供第一光导纤维430，使得转子叶片1围绕扭转轴线B的扭转导致第一光导纤维430的转动角度从第一点12相对于第二点12变化，其中第一光导纤维430至少在一些区域具有不是保偏光纤的光纤。该方法包括提供第二光导纤维440，其在第二点12处或相对于从第一点10到第二点12的光路在第二点12后面连接到第一光导纤维430，并且其从第二点12引出，第二光导纤维440特别是保偏光纤。
该方法进一步包括将具有已知的入射偏振取向的偏振光辐射到第一光导纤维430中，检测从第二光导纤维440射出的光的出射偏振取向，并相对于入射偏振取向评估出射偏振取向以确定扭转。
在所示实施例中，源410自身设置在转子叶片1上。然而，本公开不限于此。特别地，还可以将源410设置成远离转子叶片1并且借助于辅助光导纤维将偏振光提供给第一光导纤维430。
第一光导纤维430光学地连接到源410。从源410射出的偏振光能够光学地施加到第一光导纤维430。第一光导纤维430在第一点10和第二点12处附接到转子叶片1，使得转子叶片1围绕扭转轴线B的扭转导致第一光导纤维430的转动角度从第一点10相对于第二点12变化。扭转轴线B不一定与转子叶片1的实际几何轴线、例如转子叶片的纵向延伸线(在图1至3中由附图标记“A”来表示)等重合。相反，扭转轴线B是通过转子叶片1或在转子叶片1的表面处的假想线，围绕该假想线发生待测量的转子叶片1的扭转，其中待测量的扭转反映在第一光导纤维430的第一点10和第二点12之间转动角度的变化。
在所示实施例中，第二光导纤维440的第一端通过测量连接装置420连接到第一光导纤维430的在第二点12后面的一端。通常，测量连接装置420是光导接头，但不限于此。通过合适的光导塞等的连接也是可以想到的，只要这些光导塞等不会引起偏振取向的任何未知的变化。第二光导纤维440构造成将光提供给评估单元。
在扭转传感器400的操作期间，偏振光在第一光导纤维430的第一端处提供给第一光导纤维430。由于第一点10和第二点12之间的附接，转子叶片1的扭转转变为第一光导纤维430的扭转。扭转角度映射为光纤和偏振面之间的角度。由于第一光导纤维430的不保偏的特性，转子叶片1围绕扭转轴线B的扭转导致偏振面在第一光导纤维430的第一端和第一光导纤维430的第二端之间转动。因此第一光导纤维430用作光纤传感器。
根据一个方面，扭转传感器400至少部分地设置在转子叶片1的表面上。根据一个方面，第一点10和/或第二点12特别设置在转子叶片1的表面上。例如出于维护的目的，这可以导致扭转传感器400的简单的组装和简单的可更换性。根据另外的实施例，扭转传感器400集成在转子叶片中。例如，扭转传感器400嵌入在转子叶片中。
扭转传感器400可以包括评估单元，例如根据本文所述的实施例的装置，其被布置以执行本文所述的方法。评估单元被配置为根据所检测到的偏振状态来输出相应的信号。信号被适当编码。将输出包含关于所检测到的偏振状态的信息的模拟或数字控制信号。评估单元还保存关于辐射到第一光导纤维430的第一点10中的光的偏振状态的信息。辐射到第一光导纤维430的第一点10中的光的偏振状态与在信号中编码的光的偏振状态的比较允许得出关于转子叶片1的扭转的结论。
根据本公开的实施例，扭转测量在风力涡轮机的转子叶片中执行。例如可以提供扭转传感器以在多个横截面和/或半径处测量转子叶片中的扭转。所测得的扭转允许得出关于实际设置和实际值以及操作状态的结论，例如迎角、入射角、流速和转子叶片的颤振运动。可以基于所确定的实际设置和实际值和/或操作状态来对诸如迎角等操作参数进行精确设置。能够提高风力涡轮机的效率。

Claims (14)

1.一种用于操作风力涡轮机的方法，包括：
测量风力涡轮机的转子叶片的第一点和与所述第一点间隔开的第二点之间的扭转，特别地通过使用集成在所述转子叶片中或设置在所述转子叶片的表面上的扭转传感器来测量；和
基于所测量的扭转来确定所述风力涡轮机的至少一个参数，特别是所述至少一个参数的实际值，其中所述至少一个参数选自所述转子叶片的迎角、桨距角、风速、入射角和流速。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述至少一个参数与所述至少一个参数的至少一个目标值进行比较。
3.根据权利要求1或2述的方法，还包括：
基于所测量的扭转，特别地基于与所述至少一个目标值的比较，来设置所述转子叶片的迎角和/或桨距角。
4.一种用于操作风力涡轮机的方法，包括：
测量风力涡轮机的转子叶片的第一点和与所述第一点间隔开的第二点之间的扭转；和
对表示所述扭转的测量信号进行频率分析。
5.根据权利要求4所述的方法，包括：
基于所述频率分析来确定所述转子叶片的颤振运动。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，进行所述频率分析包括：
确定固有扭转频率。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
基于所述固有扭转频率来确定所述转子叶片受异物的影响。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，利用所述转子叶片上的至少一个另外的点来执行扭转测量，其中特别地，在所述转子叶片上的至少两个另外的点之间来执行所述扭转测量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述扭转测量在所述转子叶片的至少两个段中执行，其中所述第一点和所述第二点位于所述转子叶片的第一段中，并且其中至少一个另外的点位于所述转子叶片的第二段中。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
分段确定流速。
11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括：
分段设置所述转子叶片的迎角和/或桨距角。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，分段设置迎角是通过与各个段相关联的局部致动器来执行的。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，测量所述扭转包括：
在所述转子叶片的所述第一点和所述第二点之间提供第一光导纤维，使得所述转子叶片围绕扭转轴线的扭转导致所述第一光导纤维的转动角度从所述第一点相对于所述第二点变化，其中特别地，所述第一光导纤维至少在一些区域中具有不是保偏光纤的光纤；
提供第二光导纤维，其在所述第二点处或相对于从所述第一点到所述第二点的光路在所述第二点后面连接到所述第一光导纤维，并且其从所述第二点引出，所述第二光导纤维特别是保偏光纤；
将具有已知的入射偏振取向的偏振光辐射到所述第一光导纤维中；
检测从所述第二光导纤维射出的光的出射偏振取向；和
相对于所述入射偏振取向评估所述出射偏振取向以确定所述扭转。
14.一种用于操作风力涡轮机的装置，包括：
一个或更多个扭转传感器；和
控制装置，其被布置以执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
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