CN109100534A - 一种多角度测风设备及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多角度测风设备，包括：光束发射接收系统，其将激光束发射到扫描区域中并且接收回波信号；以及旋转系统，其被配置为改变激光束的发射方向，使得扫描区域至少覆盖前方的扫描区域和两侧的扫描区域。本发明还涉及一种用于运行多角度测风设备的方法以及一种风力发电机。通过本发明的方案，可检测风力发电机四周较大范围内的测风数据，并且解决了激光雷达受风轮的叶片遮挡对测风产生的影响，保证信号获取率，而且本系统体积紧凑，实施成本低，易于安装与维护。

Description

一种多角度测风设备及其运行方法

技术领域

本申请总体上涉及激光雷达探测技术，具体而言涉及一种多角度测风设备以及一种用于运行这样的多角度测风设备的方法。此外，本发明还涉及一种风力发电机。

背景技术

相干激光雷达是测量风场分布的一种有效手段。利用激光的多普勒效应，测量激光在大气中传播时，经历由于空气中的灰尘、水滴等悬浮颗粒的后向散射造成的多普勒频移，因此能够由此推算出空间风速的分布情况。

风向及风速的预测数据可以及时传递给风机的控制系统以对风机位置进行相应调整，使得风机可以更有效地利用风能并高效地产出能源。根据不同的风况调整风机的状态，在达到最大能源输出效率的同时，可以最大限度地降低动态载荷。

连续波(CW)相干激光雷达是测量风场分布的经济且可靠的手段，其具有较高的探测灵敏度，较高的时空分辨率，并有很强的晴空探测能力，可实现对大气三维风场的准确探测，并已经在气象、民航、军事等方面得到了广泛应用。但是，在使用现有相干多普勒激光雷达系统测量风速时，存在以下几个问题：

1.相干激光雷达系统的探测目标为空气中的悬浮颗粒，而回波信号的强度和多普勒频移随目标的距离、径向运动速度以及天气情况等的不同会产生明显差异，因此需要在不同的背景条件下实现对运动目标多普勒信号的高灵敏度探测，并保证探测信号的信噪比，获取准确的测风数据；以及

2.测量空域的风场分布时，需要用激光器对空间进行扫描。如何实现对指定距离、锥角上任意点的扫描，并在保证恒定的扫描频率下延长机械运动部件的寿命，提高激光雷达系统的稳定性和可靠性。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务是提供一种多角度测风设备、一种用于运行这样的多角度测风设备的方法、以及一种风力发电机，利用所述设备、方法或风力发电机，可以简单、可靠、低成本地测量风力发电机前后左右四周的风场情况，由此最佳地利用风力并减小风力发电机的动态载荷。

在本发明的第一方面，前述任务通过一种多角度测风设备来解决，该多角度测风设备包括：

光束发射接收系统，其将激光束发射到扫描区域中并且接收回波信号；以及

旋转系统，其被配置为改变激光束的发射方向，使得扫描区域至少覆盖前方的扫描区域和两侧的扫描区域。

在此，应当指出，尽管本发明的实施例是以水平方向的扫描平面来说明的，但是本发明的技术方案不限于水平方向的扫描平面，而是也可以适用于与水平方向具有一定偏差、例如0°-30°偏差的扫描平面，例如横向于(即明显不平行于)风力发电机的风轮旋转平面的任何平面。

在本发明的一个优选方案中规定，旋转系统包括薄壁电机、轴承、半铝环框架、反射镜、玻璃护罩、含加热功能的顶盖及支撑柱，其中半铝环框架与薄壁电机的转子连接，所述反射镜布置在半铝环框架中以便将由光束发射接收系统发射的激光束偏转到相应扫描区域处，并且其中所述玻璃护罩用于密封防护。

在本发明的另一优选方案中规定，多角度测风设备还包括变焦准直透镜组，其被配置为将激光束聚焦于所设置的焦距处。

在本发明的又一优选方案中规定，所述多角度测风设备适于安装在风力发电机的机舱顶部。

在本发明的一个扩展方案中规定，旋转系统被配置为能够360°旋转。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述多角度测风设备包括多个光束发射接收系统，每个光束发射接收系统被配置为分别将激光束发射到前方的扫描区域和/或两侧的扫描区域中。

在本发明的一个优选方案中规定，多角度测风设备还包括控制单元，其被配置为根据风轮的位置和/或速度信息控制激光光源和/或旋转系统，使得由激光光源发射的激光束不被风轮遮挡。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于运行多角度测风设备的方法来解决，该方法包括下列步骤：

由控制单元根据风轮的位置和/或速度信息控制光束发射接收系统和/或旋转系统，使得由光束发射接收系统发射的激光束不被风轮遮挡；

由光束发射接收系统将激光束发射到扫描区域中；

由旋转系统改变激光束的发射方向，扫描区域至少覆盖前方的扫描区域和两侧的扫描区域；以及

由光束发射接收系统检测回波信号以确定测风数据。

在本发明的一个优选方案中规定，该方法还包括步骤：

根据所确定的测风数据调整风力发电机的参数以优化风力利用。

在本发明的另一优选方案中规定，该方法还包括步骤：

根据所确定的测风数据调整风力发电机的参数以最小化动态载荷。

在本发明的第三方面，前述任务通过一种风力发电机来解决，该风力发电机包括根据本发明的多角度测风设备。

本发明的有益效果在于：本发明提出的多角度测风设备，结构简单，可靠性高，可安装在风机机舱上部，可检测风力发电机四周较大范围内的测风数据，并且通过叶片避让算法解决激光雷达受叶片遮挡对测风产生的影响，保证信号获取率；变焦系统使雷达可测量不同距离的风速，并根据实时信号质量，自动调节聚焦距离，提高信号信噪比；旋转系统可以任意改变水平扫描的角度范围实现有针对性的风速风向信息捕获，系统体积紧凑，实施成本低，易于安装与维护。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了采用根据本发明的多角度测风设备的风力发电机的示意图；

图2A-2C示出了根据本发明的多角度测风设备的示意图；以及

图3示出了根据本发明的多角度测风设备避让风轮的示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

除非另行规定，在本申请中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

图1示出了采用根据本发明的多角度测风设备200的风力发电机100的示意图。

如图1所示，风力发电机100具有风轮101和机舱102。风轮101用于被风驱动旋转以产生电能。机舱102用于容纳发电机组以及其它部件(未示出)。

在机舱102的顶部布置有多角度测风设备200。如图1中所示，多角度测风设备200发射激光束103，所述激光束103例如通过变焦准直透镜组被聚焦于扫描点105，但是也可以不具有变焦准直透镜，而是直接发射脉冲激光。由于在扫描过程中，多角度测风设备200水平地旋转，使得激光束103的方向不断改变，因此产生多个扫描点105，这些扫描点105构成水平的扫描平面104或扫描环。但是多角度测风设备200也可以不旋转360°，而是旋转某个角度，以便扫描所期望的扫描区域。

从图1中可知，通过设置多角度测风设备200的不同焦距，可以产生具有不同半径的扫描环或者不同大小的扫描平面104，从而对风力发电机100的四周、包括前后左右方向的风场进行测量，这与在现有技术中仅能测量风力发电机前方的风场相比，极大地扩展了测风范围，从而能够更好地优化风力利用或减少动态载荷。关于多角度测风设备200的具体细节，请参阅图2A-2C及其描述。

在此，多角度测风设备200还可以根据风轮101的位置和/或速度信息、例如方位角来控制激光光源和/或旋转系统，使得由激光光源发射的激光束不被风轮101遮挡。关于防遮挡控制的细节，请参见图3及其描述。

在此应当指出，尽管在此扫描平面104被示为水平的，但是在其它实施例中，扫描平面104也可以是非水平的、例如与水平方向相差0°-30°或更多，或者是横向于风轮101的风轮旋转平面的任何角度。在此，“横向于”是指“不平行于”、或“彼此相交”。

图2A-2C分别示出了根据本发明的多角度测风设备200的截面图、多角度测风设备200的顶盖部分、以及多角度测风设备200的支柱部分。

如图2A所示，布置在风力发电机100的机舱102顶部的多角度测风设备200包括光束发射接收系统201，其具有激光光源、分光器件、可选的变焦透镜组、聚焦透镜、以及光电探测器(未示出)。各部件的工作原理如下：

激光光源例如可以发射线性偏振、高功率、窄线宽的高质量激光光束，以满足相干探测的要求。分光器件使得入射激光几乎无损耗的通过并到达变焦准直镜组。变焦准直镜组将所接收到的激光投射至所述变焦准直镜组的当前焦长所对应的视场范围内。激光与大气中的气溶胶等微粒相互作用产生后向散射，背散射光被变焦透镜组接收，被分光器件反射到聚焦透镜上，通过聚焦透镜汇聚后的光束进入光电探测器的接收区域以产生差频信号。通过分析该差频信号可以确定风速、风向等测风数据，进而优化风力发电机的风力利用和/或减小其动态载荷。

变焦透镜组例如由两块非球面透镜组成，其中一块非球面镜由步进电机带动进行前后运动从而实现焦距的自由改变。光束的聚焦距离会明显影响背散射光的接收效率，从而对测量信噪比产生显著的影响。在晴朗天气下，由于空气中气溶胶等悬浮粒子浓度下降，导致信噪比下降，此时拉近焦距提高信噪比，通过这种方法可以保证在各种情况下能准确的获取风机前方的风速信息。另外，将焦距调整为无穷大，可对测风雷达的底噪水平进行现场校正。

多角度测风设备200还具有旋转系统202，其例如包括：电机203(如薄壁电机)、轴承(未示出)、半铝环框架204、望远镜205、反射镜206、玻璃护罩207(见图2B)、含加热功能的顶盖208(见图2B)、支撑柱209(见图2C)、三角支架210以及电缆211。半铝环框架204与电机203的转子212(参见图2B)连接以使得半铝环框架204中的反射镜206能够被电极203带动旋转，其中电机203的定子213处于转子212外部。安装于半铝环框架204中的反射镜206将望远镜205的出光光路偏折一定角度、例如90°。玻璃护罩207用于密闭防护。

多角度测风设备200可以安装于风力发电机100的机舱102的顶部，由三角支架210固定于机舱102上，如图2A所示。此种安装方式可直接在舱内维护以避免出舱。同时，多角度测风设备200配备有大量传感器以获取雷达实时的工作状态信息，例如编码器、加速度传感器和重力传感器等等，可以获取测量方位。地磁传感器可以获取当前测风的地理来向。可根据机舱102的顶部的标志物自动校准测量方位与风力发电机100的对风方向偏差。

另外，多角度测风设备200可以具有多个光束发射接收系统201，其中每个光束发射接收系统201被布置为形成不同的扫描平面，从而获得更多测风数据，由此改善测量精度或扩大测量范围。

本发明提出的多角度测风设备200，结构简单，可靠性高，可安装在风力发电机100的机舱102上部，可检测风力发电机101四周较大范围内的测风数据，并且通过叶片避让算法解决激光雷达受风轮的叶片遮挡对测风产生的影响，保证信号获取率；变焦系统使雷达可测量不同距离的风速，并根据实时信号质量，自动调节聚焦距离，提高信号信噪比；旋转系统可以任意改变水平扫描的角度范围实现有针对性的风速风向信息捕获，系统体积紧凑，实施成本低，易于安装与维护。

图3示出了根据本发明的多角度测风设备200避让风轮101的示意图。

在多角度测风设备200的工作过程中，可实时地根据风轮101的叶片的遮挡调整反射镜206的旋转速度，使得实现扫描激光束自动避让，或者控制激光光源发射激光束的时机，使得在风轮101处于光路中时不发射激光束，由此使风轮101的叶片遮挡降到最低。例如，通过调整反射镜206的旋转速度，可以在激光束扫描到风轮旋转平面时使扫描激光束刚好落入非遮挡区300中。例如，可以根据风力发电机100的风机控制系统提供的风轮方位角信息动态调整反射镜206的旋转速度以实现完全避让叶片。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (10)

1.一种多角度测风设备，包括：

光束发射接收系统，其将激光束发射到扫描区域中并且接收回波信号；以及

旋转系统，其被配置为改变激光束的发射方向，使得扫描区域至少覆盖前方的扫描区域和两侧的扫描区域。

2.根据权利要求1所述的多角度测风设备，其中旋转系统被配置为能够360°旋转。

3.根据权利要求1所述的多角度测风设备，其中所述多角度测风设备包括多个光束发射接收系统，每个光束发射接收系统被配置为分别将激光束发射到前方的扫描区域和/或两侧的扫描区域中。

4.根据权利要求1所述的多角度测风设备，其中旋转系统包括薄壁电机、轴承、半铝环框架、反射镜、玻璃护罩、含加热功能的顶盖及支撑柱，其中半铝环框架与薄壁电机的转子连接，所述反射镜布置在半铝环框架中以便将由光束发射接收系统发射的激光束偏转到相应扫描区域中，并且其中所述玻璃护罩用于密封防护。

5.根据权利要求1所述的多角度测风设备，其中所述多角度测风设备适于安装在风力发电机的机舱顶部。

6.根据权利要求1所述的多角度测风设备，还包括控制单元，其被配置为根据风轮的位置和/或速度信息控制激光光源和/或旋转系统，使得由激光光源发射的激光束不被风轮遮挡。

7.一种用于运行根据权利要求1至6之一所述的多角度测风设备的方法，包括下列步骤：

由控制单元根据风轮的位置和/或速度信息控制光束发射接收系统和/或旋转系统，使得由光束发射接收系统发射的激光束不被风轮遮挡；

由光束发射接收系统将激光束发射到扫描区域中；

由旋转系统改变激光束的发射方向，扫描区域至少覆盖前方的扫描区域和两侧的扫描区域；以及

由光束发射接收系统检测回波信号以确定测风数据。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：

根据所确定的测风数据调整风力发电机的参数以优化风力利用。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：

根据所确定的测风数据调整风力发电机的参数以最小化动态载荷。

10.一种风力发电机，包括根据权利要求1至6之一所述的多角度测风设备。