CN214836885U - 风向检测装置和风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种风向检测装置和风力发电机组，风向检测装置包括受风件和测风传感器，受风件包括连接杆以及与连接杆相连接的至少两个受风叶片，至少两个受风叶片沿连接杆的周向间隔布置；测风传感器与受风件相连接，测风传感器用于测量受风件的受力，以测量风向。该装置可以较为可靠地检测风力发电机组是否准确对风，有助于提升对风准确度，从而提升风力发电机组捕获风能的效率，提高发电效率，减少偏载荷，有助于延长风力发电机组的使用寿命。

Description

风向检测装置和风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风向检测装置和风力发电机组。

背景技术

风力发电机组运行时，风的测量(包括风速、风向)非常重要，尤其风向测量。测风仪一直监测风向，控制系统以此为叶轮提供最优的对风角度。如果测量的风向存在误差，会给机组运行带来一些不利影响，使得叶轮轴线与风向之间存在夹角，即叶轮存在对风误差，这不仅降低风机捕获风能的效率，还会对风机产生很大的偏载荷，降低风机的使用寿命，所以准确获取风向对风机的发电效率和使用寿命等至关重要。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的在于提供一种风向检测装置和风力发电机组，以解决如何准确获取风向的问题。

根据本实用新型的一方面，提供一种风向检测装置，用于风力发电机组，所述风向检测装置包括：受风件，包括连接杆以及与所述连接杆相连接的至少两个受风叶片，所述至少两个受风叶片沿所述连接杆的周向间隔布置；和测风传感器，与所述受风件相连接，所述测风传感器用于测量所述受风件的受力，以测量风向。

可选地，所述连接杆的第一端用于连接所述风力发电机组的叶轮，所述连接杆的第二端朝向远离所述叶轮的方向延伸，所述至少两个受风叶片的根部靠近所述连接杆的第二端设置。

可选地，所述至少两个受风叶片的宽度方向垂直于所述连接杆的轴向，所述至少两个受风叶片的长度方向与所述连接杆的轴向的夹角θ为锐角。

可选地，所述至少两个受风叶片中的每个受风叶片的长度方向与所述连接杆的轴向的夹角θ的取值范围为20°至70°。

可选地，所述至少两个受风叶片的长度和宽度的比值的取值范围为3至15。

可选地，所述至少两个受风叶片的数量为偶数个，所述至少两个受风叶片划分为至少一组，所述至少一组中的每组均包括两个受风叶片，同一组中的两个受风叶片关于所述连接杆镜像对称。

可选地，同一组中的两个受风叶片在连接杆的周向上的夹角为180°。

可选地，所述测风传感器的数量与所述至少两个受风叶片的数量相等且一一对应设置，其中，所述测风传感器连接在所述连接杆和所述受风叶片的根部之间，或，所述测风传感器设置在所述受风叶片的表面。

可选地，所述至少两个受风叶片的数量为两个，两个所述受风叶片关于所述连接杆镜像对称，且两个所述受风叶片在所述连接杆的周向上的夹角大于90°，所述测风传感器与所述连接杆相连接，所述测风传感器沿所述连接杆的周向对应于至少一个所述受风叶片设置。

可选地，所述连接杆能够与所述风力发电机组的导流罩固定连接，以使所述受风件与所述导流罩一起转动。

可选地，所述风向检测装置还包括受风叶片位置传感器，用于检测所述至少两个受风叶片中的目标受风叶片是否转动至目标位置。

可选地，所述受风叶片位置传感器包括参考件和检测件，所述参考件能够与所述连接杆一起转动，所述检测件固定在设定位置，使得当所述目标受风叶片转动至所述目标位置时，所述参考件能够转动至所述检测件的触发区域而触发所述检测件。

可选地，所述参考件为金属挡块，所述检测件为接近开关；或所述参考件为图形标记，所述检测件为图像采集器。

根据本实用新型的另一方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括上述的风向检测装置。

根据本实用新型的实施例的风向检测装置，包括具有连接杆和至少两个受风叶片的受风件。当风力发电机组正对风向时，至少两个受风叶片受力较为均匀，连接杆也基本保持原来的形态；当风力发电机组未正对风向时，至少两个受风叶片的受力出现差异，连接杆可能在受力不平衡的各个受风叶片的带动下发生微小的弯曲形变。通过配置测风传感器来检测受风件在风作用下的受力，可以较为可靠地检测风力发电机组是否准确对风，有助于提升对风准确度，从而提升风力发电机组捕获风能的效率，延长风力发电机组的使用寿命。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本实用新型的上述以及其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：

图1是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型的一个实施例的风力发电机组的部分结构示意图；

图3是根据本实用新型的一个实施例的受风叶片的结构示意图；

图4a是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的一个受力分析示意图；

图4b是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的另一个受力分析示意图；

图5是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的爆炸图；

图6是根据本实用新型的一个实施例的测风传感器的主视图；

图7是根据本实用新型的一个实施例的测风传感器的轴测图；

图8是根据本实用新型的一个实施例的连接杆的结构示意图；

图9是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的安装示意图；

图10是根据本实用新型的一个实施例的受风叶片位置传感器的安装位置示意图；

图11是根据本实用新型的一个实施例的图10在A部的局部放大图；

图12是根据本实用新型的一个实施例的受风叶片位置传感器触发示意图；

图13是根据本实用新型的另一个实施例的受风叶片位置传感器触发示意图；

图14是根据本实用新型的一个实施例的测量电路的示意图；

图15是根据本实用新型的一个实施例的风力发电机组的通信拓扑图。

附图标号说明：

1：风力发电机组；

10：风向检测装置；

11：受风件；111连接杆；112受风叶片；112a：第一受风叶片；112b：第二受风叶片；113第一连接部；114第二连接部；115穿线孔；

12：测风传感器；121：弹性体；122：电阻应变片；123：第一安装孔；124：第二安装孔；

13：位置传感器；131：参考件；132：检测件；132a：第一检测件；132b：第二检测件；

14：测量电路；

15：滑环；

20：叶轮；21：导流罩；211：安装孔；

30：主轴；31：法兰盘；

40：机舱；

50：变桨控制柜。

具体实施方式

现在，将参照附图详细地描述根据本实用新型的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。

本实用新型的实施例提供了一种风向检测装置和具有该风向检测装置的风力发电机组，以解决如何准确获取风向的问题。

图1是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的结构示意图。

参照图1，风向检测装置10包括受风件11和测风传感器12。受风件11包括连接杆111以及与连接杆111相连接的至少两个受风叶片112，至少两个受风叶片112沿连接杆111的周向间隔布置。当风力发电机组1正对风向时，至少两个受风叶片112受力较为均匀，连接杆111也基本保持原来的形态。当风力发电机组1未正对风向时，至少两个受风叶片112的受力出现差异，由于叶片通常呈薄片状，使得这种受力差异主要体现在不同受风叶片112的垂直于迎风面的推力不同，而受风叶片112承受的推力传递到连接杆111，会对连接杆111产生大致沿径向的拉力，使得连接杆111可能在受力不平衡的各个受风叶片112的带动下也会存在沿不同径向的拉力不均，进而发生微小的弯曲形变。测风传感器12与受风件11相连接，用于测量受风件11的受力，具体例如可以是通过检测受风件11的形变来检测受力，从而实现风向检测，可以较为可靠地检测风力发电机组1是否准确对风，有助于提升对风准确度，从而提升风力发电机组1捕获风能的效率，提高发电效率，减少偏载荷，有助于延长风力发电机组1的使用寿命。

图2是根据本实用新型的一个实施例的风力发电机组的部分结构示意图。

参照图2，风力发电机组1运行时如果叶轮20的轴线与风向存在夹角，也就是说叶轮20未正对风向，那么风将会使叶轮20产生不平衡载荷，叶轮20的每个叶片受到的载荷不相同(例如推力)，通过这个特征足以说明叶轮20没有对准风向，存在对风误差，但是由于叶轮20的叶片载荷变化复杂及频繁变桨，测量这个特征量非常困难。本实用新型的实施例运用受风件11对风向进行监测，使风向测量简单、可行，使得叶轮20可达到高精度的对风能力。可以理解的是，安装风向检测装置10时，可尽量令连接杆111与叶轮20同轴，且二者同轴度越高，测量精度越高。

具体地，风力发电机组1可先利用相关技术中的测风仪实现粗略对风，再利用本实用新型的实施例提供的风向检测装置精确检测风向，可对叶轮20的方向进行微调，以修正叶轮20的对风角度，消除叶轮20对风误差。

参照图1和图2，可选地，连接杆111的第一端用于连接风力发电机组1的叶轮20，连接杆111的第二端朝向远离叶轮20的方向延伸，受风叶片112的根部靠近连接杆111的第二端设置。也就是说，受风件11可装配在叶轮20的前端，即位于机舱40前侧，从而免受叶轮20的叶片根部的周期性阻挡及尾流效应影响，可确保受风件11处的风信息准确，从根本上提升了测量风向的准确度，有助于提高叶轮20的对风精度。具体地，如图1所示，可在连接杆111的第一端设置第一连接部113，用于连接叶轮20，具体可用于连接叶轮20的导流罩21。

接下来对单个受风叶片112的形状和布置进行介绍。

图3是根据本实用新型的一个实施例的受风叶片的结构示意图。

参照图3，受风叶片112选用直叶片，不做扭转或弯曲，可减小受风叶片112旋转时切向速度及叶片扭矩带来的影响，且受风叶片112本身关于中心线轴对称，可减少叶片形状造成的不同受风叶片112的受力差异，降低对风向检测的干扰。参照图3，可选地，受风叶片112的长度L和宽度D的比值的取值范围为3至15，进一步可缩小为5至10，使得受风叶片112呈窄长状，能够增大风作用在受风件11上的力臂，并可减小切向力，确保受风叶片112承受的主要是推力，以便于测风传感器12检测，有助于提高检测精度。

此外，受风叶片112需具有足够的刚度和强度，确保在受到大风时基本不变形，以保证测风传感器12的检测结果可靠。

可选地，如图1所示，令受风叶片112的宽度方向垂直于连接杆111的轴向，可确保受风叶片112的一个表面完全朝前，作为迎风面，受风叶片112的另一个表面完全朝后，作为背风面，这种设计可以提高受风叶片112表面受到的推力(阻力系数较大)，具有减小受风叶片112旋转时切向速度及叶片扭矩带来的影响，有助于提高检测精度，进而提高叶轮20的对风精度。在此基础上，图4a是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的一个受力分析示意图，图4b是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的另一个受力分析示意图，参照图4a和图4b，令受风叶片112的长度方向与连接杆111的轴向的夹角θ为锐角，也就是令受风叶片112向后倾斜，这样更容易测量风向对受风叶片112的影响，并且还可以减少受风叶片112的振动及挥舞频率，气动性更佳。具体来说，通过采用该设计，在叶轮20未对准风向的情况下，受风件11一侧的受风叶片112会比另一侧的受风叶片112更好地对准气流，使得两侧的受风叶片112受力大小不同，即风对左右两侧受风叶片112产生非对称载荷，如果叶轮20对风误差越大，那么受风件11两侧的受风叶片112受力差异就越大；反之，如果叶轮20对准风向，那么受风件11两侧的受风叶片112受力近似相等。该设计有助于提升受风件11左右两侧的受风叶片112的受力差异，从而提升风向检测装置10对风向的敏感度，提升风向检测精度。

可选地，至少两个受风叶片112中的每个受风叶片112的长度方向与连接杆111的轴向的夹角θ的取值范围为20°至70°。通过具体将前述夹角θ的取值范围限定为20°至70°，可令受风叶片112合理倾斜，其与风向配合，有助于提高受风叶片112表面受到的推力，提高检测精度。

接下来对受风叶片112的数量和布置进行介绍。可以理解的是，如图2所示，只要保证在检测风向时，连接杆111的左右两侧均布置有受风叶片112即可，那么在叶轮20未正对风向时，左右两侧的受风叶片112的载荷就会存在差异，可以实现风向检测，因而对受风叶片112的数量和沿连接杆111周向的布置位置没有绝对的限制。具体来说，对于受风件11保持静止不动的情况，只需在安装时保证连接杆111的左右两侧均布置有受风叶片112即可；对于受风件11可以转动的情况，则只需在受风件11转动至连接杆111的左右两侧均存在受风叶片112的角度时才使用测风传感器12的检测值即可。

可选地，至少两个受风叶片112的数量为偶数个，至少两个受风叶片112划分为至少一组，至少一组中的每组均包括两个受风叶片112，同一组中的两个受风叶片112关于连接杆111镜像对称。通过将偶数个受风叶片112每两个分为一组，并将同一组中的两个受风叶片112关于连接杆111镜像对称布置，能够直接对比镜像对称的两个受风叶片112的受力来检测风向，既可减少计算的数据量，又可减少非对称布置对受风叶片112受力的影响，提升风向检测精度。可以理解的是，本实用新型的实施例只对同一组中的两个受风叶片112存在位置限定，对于不同组的受风叶片112之间不做限制，可沿连接杆111的周向任意布置。

可以理解的是，同一组中的两个受风叶片112关于连接杆111镜像对称，实质上是关于穿过连接杆111的轴线的平面镜像对称，也就是将这个平面作为镜面，而穿过连接杆111的轴线的平面有无数个。实际检测风向时，需要选择其中的竖直面作为镜面，也就是以穿过连接杆111的轴线的竖直面作为镜面，令同一组中的两个受风叶片112关于该镜面镜像对称，也就是左右对称，从而实现左右风向的检测。具体地，对于受风件11保持静止不动的情况，可仅设置一组(即两个)受风叶片112，并且令这两个受风叶片112左右对称；对于受风件11可以转动的情况，则可适当增加受风叶片112的数量，在每组受风叶片112转动至左右对称的位置时都使用测风传感器12的检测值来检测这组左右对称的受风叶片112的受力，以检测风向，可以提高采样频率，有助于提升风向检测的及时性。

进一步地，同一组中的两个受风叶片112在连接杆111的周向上的夹角为180°，也就是当一组受风叶片112处于左右对称的位置时，这组受风叶片112也同时处于水平位置，能够确保叶轮20未正对风向时，同一组中的两个受风叶片112承受的载荷差异最大，有助于进一步提升风向检测装置10对风向的敏感度，提升风向检测精度。

为便于说明本实用新型的实施例的风向检测原理，接下来结合图4a和图4b，以在连接杆111的周向上的夹角为180°的两个受风叶片112(包括右侧的第一受风叶片112a和左侧的第二受风叶片112b)处于水平位置的情况为例，进行受力分析。

首先推导风作用在受风叶片112表面的推力F。将单位时间t内的风视为一个体积为V的质量团，则质量团的质量m＝ρV，其中ρ为空气密度，因此推力F＝ma＝mv/t＝(ρV)v/t。又因为V＝截面积S*长度l，其中S为平面面积，l为单位时间内风吹过的长度，则V＝Sl＝Svt，其中v为垂直于平面的风速，所以平面受到的推力F＝(ρV)v/t＝ρ(Svt)v/t＝ρSv²。

接着计算受风叶片112受到的风力大小。由于受风叶片112比较薄且光滑，平行于受风叶片112的速度分量对受风叶片112的力非常小，忽略不计，只考虑垂于受风叶片112表面的速度分量对受风叶片112的力，受力分析如图4a和图4b所示，θ为受风叶片112与连接杆111的轴线(图4a和图4b中的点划线，同时也是叶轮20的轴线)之间的夹角，α为叶轮20对风误差角度(风向与叶轮轴之间的夹角)，α可根据目前风力发电机组1的对风误差取值，例如在现有技术中传统方法测得的风向存在15°误差，那么α∈[0°,15°]，在方案设计中为了便于两个受风叶片112的推力对比分析，建议0°＜θ+α＜90°且0°＜θ-α，具体分析如下。

如图4a所示，当叶轮20存在左对风误差时，左侧的第二受风叶片112b受到的推力为

其中v₁为垂直于第二受风叶片112b的速度分量，v₂为平行于第二受风叶片112b的速度分量，v₁＝vsinβ＝vsin(θ+α)，所以F_b＝ρS[vsin(θ+α)[²。

同理，右侧的第一受风叶片112a受到的推力

其中v′₁为垂直于第一受风叶片112a的速度分量，v′₂为平行于第一受风叶片112a的速度分量，v′₁＝vsinγ＝vsin(θ-α)，所以F_a＝ρS[vsin(θ-α)]²。

∵推力比值

∴k＞1。

如图4b所示，当叶轮20存在右对风误差时，左侧的第二受风叶片112b受到的推力为

其中v₁为垂直于第二受风叶片112b的速度分量，v₂为平行于第二受风叶片112b的速度分量，v₁＝vsinβ＝vsin(θ-α)，所以F_b＝ρS[vsin(θ-α)]²。

同理，右侧的第一受风叶片112a受到的推力

其中v′₁为垂直于第一受风叶片112a的速度分量，v′₂为平行于第一受风叶片112a的速度分量，v′₁＝vsinγ＝vsin(θ+α)，所以F_a＝ρS[vsin(θ+α)]²。

∵推力比值

∴k＜1。

由以上可知，当k＞1时，叶轮20存在左对风误差；当k＜1时，叶轮20存在右对风误差；当k＝1时，α为0°(或者α近似为0°，叶轮20对风误差极小)，叶轮20对准风向，控制系统可根据k的值判断叶轮20是否与风向对准。可以理解的是，还可通过试验及进一步的深入研究来确定θ值，使测量更加精准；由于k是叶轮20的对风误差角度α的函数，经过试验验证还可以评估出与k值相对应的实际的对风误差角度α，以据此控制叶轮20转动，实现精准对风。

接下来对测风传感器12进行介绍。

在一些实施例中，可选地，测风传感器12的数量与至少两个受风叶片112的数量相等且一一对应设置，用于检测至少两个受风叶片112的受力。

图5是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的爆炸图。

参照图5，可选地，测风传感器12连接在连接杆111和受风叶片112的根部之间，可通过检测受风叶片112根部的形变来检测受风叶片112的受力。由于受风叶片112的根部处应力集中，通过在此处设置测风传感器12，能够更容易地捕获受风叶片112的受力，提升检测精度。此外，设置在根部的测风传感器12不会对受风叶片112造成额外负重，有助于减少受风叶片112本身的形变，以保证测风传感器12的检测结果可靠。

图6是根据本实用新型的一个实施例的测风传感器的主视图。

图7是根据本实用新型的一个实施例的测风传感器的轴测图。

参照图6和图7，测风传感器12可选用电阻应变式传感器，将受风叶片112受到的力转化为能被识别和传递的电信号。测风传感器12主要由弹性体121和电阻应变片122组成，弹性体121连接在连接杆111和受风叶片112之间，电阻应变片122粘贴在弹性体121的表面，具体是弹性体121发生明显形变的表面。其测量原理是：弹性体121在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片122也随同产生变形，电阻应变片122变形后，其阻值将发生变化(此现象称为电阻应变效应)，再通过把电阻变化转换为电信号，可完成将外力变换为电信号的过程。受风叶片112具有一定的长度，在风的作用下受风叶片112施加给弹性体121一个力矩，弹性体121发生弯曲弹性变形，由于电阻应变片122具有应变效应，所以电阻应变片122的阻抗产生变化。

由于弹性体121为悬臂梁结构，结构强度高、抗偏、抗侧向力强。如图5和图7所示，其一端固定，另一端自由，弹性体121上下表面各对称粘贴两片电阻应变片122。自由端设置第一安装孔123，用于安装受风叶片112；固定端设置第二安装孔124，用于联结连接杆111，具体可以在连接杆111的相应位置设置第二连接部114，使得弹性体121上的第二安装孔124与连接杆111上的第二连接部114固定连接(例如采用螺钉连接)。这种设计使电阻应变片122能更好地受到外力作用，产生电阻应变效应。由于受风叶片112具有一定的长度，在力的传递过程中受风叶片112还作为力臂将受到的推力放大再传递给弹性体121，增加了对力信号的变化强度(变化量)，相应提高了检测灵敏性，使测量更加精准。弹性体121上、下部分将会出现拉伸和压缩应力，上部电阻应变片122将受拉伸而阻值增加，下部电阻应变片122将受压缩而阻值减少，从而实现检测。可选地，还可在弹性体121上设置通孔(例如图6和图7中的腰型通孔)，该通孔贯穿了弹性体121未设置电阻应变片122的两个侧表面，既能够增强弹性体121的变形性能，提升检测灵敏性，又能够减少用料，减轻测风传感器12的重量，降低测风传感器12自重对检测结果的影响，提升检测精度。

可选地，测风传感器12也可设置在受风叶片112的表面，直接检测受风叶片112的应力或应变，例如在受风叶片112的表面设置电阻应变片，可以理解的是，此时为实现检测，受风叶片112的强度可略微下降，以令受风叶片112产生微小形变。该设计由于受风叶片112和连接杆111之间可直接连接，因而能够提升连接强度，降低受风件11在强风作用下损坏的风险，有助于延长风向检测装置10的使用寿命。

在另一些实施例中，可选地，至少两个受风叶片112的数量为两个，两个受风叶片112关于连接杆111镜像对称，且两个受风叶片112在连接杆111的周向上的夹角大于90°，测风传感器12与连接杆111相连接，测风传感器12沿连接杆111的周向对应于至少一个受风叶片112设置。

在该些实施例中，通过将至少两个受风叶片112配置为关于连接杆111镜像对称的两个，能够在风力发电机组1未正对风向时，令连接杆111在受风叶片112的带动下朝向承受更大推力的受风叶片112所在的方向发生微小弯曲，使得连接杆111外周壁的相应区域出现最为明显的压缩。同时，通过令两个受风叶片112在连接杆111的周向上的夹角大于90°，可以令连接杆111外周壁对应于承受更小推力的受风叶片112的区域出现不同的变形，也就是出现拉伸，从而可实现来风方向的区分，完成风向检测。相应地，通过将测风传感器12与连接杆111相连接，并对应于至少一个受风叶片112设置，能够在检测到明显的压缩或检测到拉伸时确定来风方向，从而完成有效的风向检测。采用该设计一方面能够令测风传感器12直接布置在连接杆111上，可沿连接杆111布置测风传感器12的信号线，降低信号线悬空而损坏的风险，提升风向检测装置10的工作可靠性；另一方面能够使受风叶片112和连接杆111之间直接连接，因而能够提升连接强度，降低受风件11在强风作用下损坏的风险，有助于延长风向检测装置10的使用寿命。

可选地，沿连接杆111的周向，测风传感器12可仅对应于一个受风叶片112设置，在检测到压缩时判断风向为测风传感器12所在的一侧，在检测到拉伸时判断风向为未设置测风传感器12的一侧；测风传感器12也可同时对应于两个受风叶片112设置，哪个测风传感器12检测到压缩，就判断风向为该测风传感器12所在的一侧。具体地，沿连接杆111的轴向，测风传感器12可靠近受风叶片112的根部设置，并位于受风叶片112的根部朝向叶轮20的一侧，例如受风叶片112的根部可设于连接杆111的一端，同时测风传感器12设于连接杆111的杆长1/3处。

进一步地，两个受风叶片112在连接杆111的周向上的夹角可为180°，使得在风力发电机组1未正对风向时，连接杆111外周壁对应于两个受风叶片112的区域的形变差异达到最大，有助于进一步提升测风传感器12的敏感度，提升风向检测精度。

对于受风件11的安装，在一些实施例中，可选地，受风件11能够与风力发电机组1的静止部件相连接，例如穿过导流罩21而伸入叶轮20内部，与静止部件相连接，以保持受风件11静止不动，此时可随时对风向进行检测，提升了检测的便利性。如前所述，此时只需在安装时保证连接杆111的左右两侧均布置有受风叶片112即可。

在另一些实施例中，可选地，受风件11能够与风力发电机组1的导流罩21固定连接，以使受风件11与导流罩21一起转动。由于风力发电机组1运行时，控制电路的线路会与叶轮20一起转动，通过令受风件11也一起转动，可保证测风传感器12的信号线与机组线路同步转动，便于布置，降低了线路缠绕的风险。

图8是根据本实用新型的一个实施例的连接杆的结构示意图。

图9是根据本实用新型的一个实施例的风向检测装置的安装示意图。

参照图8，可在连接杆111的第一端设置圆形连接板作为第一连接部113，参照图9，在导流罩21的前端开设安装孔211，安装孔211的孔径小于第一连接部113的外径，以与第一连接部113配合，并经螺栓实现固定。同时将连接杆111配置为空心杆，并在靠近第二连接部114的位置开设穿线孔115，以供信号线通过。仍以图5所示的风向检测装置10为例，其具体安装方法如图9所示，先将受风叶片112安装在弹性体121的自由端，受风叶片112和弹性体121组为一体。然后在叶轮20内将连接杆111插入导流罩21前端的安装孔211内合适长度，再将已组装的两套受风叶片112和弹性体121从安装孔211伸至导流罩21外部，操作人员的双手从安装孔211伸出将弹性体121安装在连接杆111前端。至此完成风向检测装置10的组装。测风传感器12的信号线采用快速插接方式，在连接杆111内事先布置合适长度的信号电缆，待风向检测装置10组装完成后再与测风传感器12的信号线接通，最后用将第一连接部113与导流罩21的前端装配，并螺栓固定。

图10是根据本实用新型的一个实施例的受风叶片位置传感器的安装位置示意图。

图11是根据本实用新型的一个实施例的图10在A部的局部放大图。

进一步地，对于受风件11与导流罩21一起转动的情况，受风叶片112的位置(指沿连接杆111周向的角度位置，下同)在转动过程中会不断发生变化，若不了解受风叶片112的位置，则难以准确判断风向，同时，为了获得更高的检测精度，也需要受风叶片112转动至适宜的位置，例如需保证连接杆111的左右两侧均分布有受风叶片112，又如对于受风叶片112的数量为偶数个，且同一组的两个受风叶片112关于连接杆111镜像对称的情况，可令同一组的两个受风叶片112转动至左右对称的位置。为此，参照图10和图11，可为风向检测装置10配置受风叶片位置传感器13，用于检测至少两个受风叶片112中的目标受风叶片是否转动至目标位置，进而可在目标受风叶片转动至目标位置时获取测风传感器12的检测值，完成风向检测。也就是说，受风叶片位置传感器13未检测到目标受风叶片转动至目标位置的期间，控制系统不做风向判断，而是在受风叶片位置传感器13检测到目标受风叶片转动至目标位置时，才使用测风传感器12的检测值进行逻辑判断，运用这个状态下的数据可便于受力分析及推力比较，风向误差判断更准确，并可以减少控制系统的计算量及相应的内存消耗。可以理解的是，受风叶片位置传感器13可以实时获取目标受风叶片的位置，进而确定目标受风叶片是否转动至目标位置；受风叶片位置传感器13也可以仅聚焦于目标位置，在目标受风叶片转动至目标位置时被触发，这都是本实用新型的实现方式，落入本实用新型的保护范围之内。可选地，受风叶片位置传感器13可记录下目标受风叶片转动至目标位置的时刻，并使用测风传感器12在相应时刻的检测值进行逻辑判断。

具体地，由于全部受风叶片112的位置是提前固定的，因此目标受风叶片可作为全部受风叶片112的参照物，在确定了目标受风叶片的位置的情况下，即可确定此刻其他受风叶片112所处的位置，从而完成风向检测。也就是说，目标受风叶片可以是当前测风传感器12的检测对象，也可以不是当前测风传感器12的检测对象，仅用于指示受风件11当前转动到了什么角度位置。目标位置则是受风件11转动至某一预定角度位置时，目标受风叶片所处的位置。

参照图10，P1和P3为水平位置，P2和P4为竖直位置，还可借助具体的角度来表示这些位置，例如P1、P2、P3、P4依次为0°位置、90°位置、180°位置、270°位置。图10中的受风件11具有关于连接杆111镜像对称且在连接杆111的周向上的夹角为180°的第一受风叶片112a和第二受风叶片112b，第二受风叶片112b为目标受风叶片，P1为目标位置。在此基础上，还可继续增加受风叶片112的数量，例如，假设受风件11具有沿连接杆111的周向均匀分布的四个受风叶片112，沿顺时针方向依次标记序号1、2、3、4，将1号受风叶片作为目标受风叶片，将P1和P2作为目标位置。当1号受风叶片转动至P1位置时，3号受风叶片位于P3位置，1、3号受风叶片左右对称，二者是当前测风传感器12的检测对象；当1号受风叶片转动至P2位置时，2、4号受风叶片左右对称，分别位于P3、P1位置，二者是当前测风传感器12的检测对象，1号受风叶片仅作为位置检测的参照物。返回参照图10中具有第一受风叶片112a和第二受风叶片112b的情况，进一步地，也可将P2和/或P4作为目标位置，从而在第一受风叶片112a和第二受风叶片112b处于竖直位置时评估气流的倾斜角度，也就是评估气流是上倾斜还是下倾斜，其评估原理与检测风向的原理相同，区别之处仅在于，评估气流的倾斜角度时需要连接杆111的上下两侧均布置有受风叶片112，检测风向时则需要连接杆111的左右两侧均布置有受风叶片112，故在此不再赘述。

接下来对受风叶片位置传感器13进行介绍。

继续参照图11，在一些实施例中，可选地，受风叶片位置传感器13包括参考件131和检测件132。参考件131能够与连接杆111一起转动，例如可将参考件131设置在风力发电机组1的主轴30的法兰盘31上，当然也可将参考件131设置在主轴30的其他旋转部位，使参考件131与主轴30一起旋转。检测件132固定在设定位置，使得当目标受风叶片转动至目标位置时，参考件131能够转动至检测件132的触发区域而触发检测件132。通过配置与连接杆111一起转动的参考件131，能够借助参考件131表征受风件11的转动情况，从而不必直接对受风件11进行检测，可以将受风叶片位置传感器13设置在风力发电机组1的内部空间，能够起到保护受风叶片位置传感器13的作用，降低受风叶片位置传感器13损坏的风险，延长受风叶片位置传感器13的使用寿命，并可便于布置受风叶片位置传感器13的信号线。可以理解的是，参考件131的周向位置可与目标受风叶片一致，此时检测件132即固定在该目标受风叶片的目标位置，可形成直观的对应关系，便于维修人员后续检修；当然，参考件131的周向位置也可与目标受风叶片不一致，只要保证在目标受风叶片转动至目标位置时，参考件131能够触发检测件132即可。

此外，可选取多个目标受风叶片，并根据实际需要相应增加参考件131和/或检测件132的数量，从而提高采样频率，有助于提高风向检测装置10的响应速度。

图12是根据本实用新型的一个实施例的受风叶片位置传感器触发示意图。

参照图12，受风件11配置有关于连接杆111镜像对称且在连接杆111的周向上的夹角为180°的第一受风叶片112a和第二受风叶片112b，受风叶片位置传感器13包括一个与第二受风叶片112b周向位置对应的参考件131，以及一个位于水平左侧位置的检测件132。在叶轮20旋转过程中，参考件131每旋转一周都会触发一次检测件132，此时第一受风叶片112a和第二受风叶片112b近似处于水平位置，且位置固定，即第一受风叶片112a始终位于连接杆111的右侧位置，第二受风叶片112b始终位于连接杆111的左侧位置。

图13是根据本实用新型的另一个实施例的受风叶片位置传感器触发示意图。

参照图13，在图12的基础上，在水平右侧位置增加一个检测件132，也就是检测件132包括左侧的第一检测件132a和右侧的第二检测件132b，叶轮20每旋转半圈就有一个检测件132触发，相比图12的方案可以提高一倍的采样率。其中，第一检测件132a触发表明受风叶片112处于水平状态，并且第一受风叶片112a位于连接杆111右侧、第二受风叶片112b位于连接杆111左侧，则根据图4a和图4b的推导，此时推力比值k是第二受风叶片112b的推力与第一受风叶片112a的推力的比值。叶轮20继续旋转180°之后，第二检测件132b触发，表明受风叶片112处于水平状态，并且第一受风叶片112a位于连接杆111左侧、第二受风叶片112b位于连接杆111右侧，则根据图4a和图4b的推导，此时推力比值k是第一受风叶片112a的推力与第二受风叶片112b的推力的比值。

可选地，参考件131可采用金属挡块，检测件132则采用接近开关，具有成本低廉，检测迅速可靠的优势。具体地，如图12所示，接近开关靠近金属挡块的旋转面固定，与金属挡块的感应面保持合适的距离。

可选地，参考件131也可采用图形标记，例如不同长短、粗细、颜色的标记线，检测件132则采用图像采集器，利用图像识别技术完成受风叶片位置的检测。此时，对于配置多个目标受风叶片的情况，可相应设置不同的标记线，从而仅利用一个图像采集器就能完成多个不同标记线的检测，实现检测多个目标受风叶片是否分别转动到目标位置，可以在不额外增加硬件成本的情况下提高采样频率，进而提高风向检测装置10的响应速度。

在另一些实施例中，可选地，受风叶片位置传感器13为图像识别传感器，可设置在导流罩21的前端，用于沿连接杆的轴向拍摄受风件11的图像，完成受风叶片位置的检测。相应地，在保证受风叶片112形状一致的情况下，为便于区分不同的受风叶片112，可为不同的受风叶片112设计不同的外观，例如采用不同的颜色或绘制不同的花纹。

除前述结构外，为完成风向检测，风向检测装置10还需要配置测量电路，以将来自测风传感器12的微弱信号放大成标准的电压信号输出。仍以图5至图7中测风传感器12为电阻应变式传感器，且数量为两个的情况为例，由于弹性体121的应变与所承受力的大小成比例，所以选用全桥测量电路检测电阻应变片122的电阻变化，即可测得相应受风叶片112承受的推力大小。

图14是根据本实用新型的一个实施例的测量电路的示意图。

参照图14，测量电路采用全桥式等臂电桥，这种测量电路具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高优点。电阻应变片122作为桥臂电阻接在电桥电路中，受风叶片112受到风作用时电桥的桥臂阻值会发生变化，电桥失去平衡，从而输出相应的电压信号，与被测推力成正比。其中，

图15是根据本实用新型的一个实施例的风力发电机组的通信拓扑图。

参照图15，测量电路14安装在叶轮20内的合适位置，由风力发电机组1的变桨控制柜50提供电源。测风传感器12的信号先经叶轮20内的测量电路14将其转换、放大成标准的电压信号，然后通过滑环15(可直接使用风力发电机组1原有的滑环)传输至机舱40的机舱控制柜，接入柜内数据采集模块。受风叶片位置传感器13的参考件131安装在主轴30的法兰盘31上，检测件132通过支架固定在可靠的位置(例如机舱底座)，与参考件131保持合适的感应距离，其信号接入机舱控制柜内相应的PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)模块；按照上述原理编写风向误差判断程序。风力发电机组1处于停机、待机时仍然使用传统的测风方法检测风向，当风力发电机组1处于运行状态(叶轮20已经旋转)时，本实用新型的实施例提供的风向检测装置10可应用于偏航控制之中修正叶轮20的对风角度，消除叶轮20的对风误差。

从控制角度，总体来说，返回参照图12，在叶轮20旋转过程中，受风叶片位置传感器13的检测件132触发时向控制系统的PLC发送信号(如高电平信号)，表明目标受风叶片转动至目标位置，例如第一受风叶片112a和第二受风叶片112b处于水平状态，并且第一受风叶片112a位于连接杆111的右侧、第二受风叶片112b位于连接杆111的左侧，控制系统先根据测量信号计算此时第二受风叶片112b和第一受风叶片112a的推力比值k及判断偏航方向，然后再向偏航执行机构下达偏航指令；假设连接杆111左侧的第二受风叶片112b受到的推力大于右侧的第一受风叶片112a受到的推力，即k＞1，那么说明此时叶轮20存在左对风误差(左对风误差这个称谓是相对的)，机舱40应该向左旋转进行叶轮对风角度修正，直到第一受风叶片112a和第二受风叶片112b受到的推力值相等才停止偏航；反之亦然，按照这种方法可消除叶轮对风误差，使叶轮20与风向对准。

本实用新型的另一方面的实施例提供了一种风力发电机组1，风力发电机组1包括上述的风向检测装置10，因而具有上述风向检测装置10的全部有益技术效果，在此不再赘述。

根据本实用新型的实施例的风向检测装置10，主要包括受风件11和测风传感器12，可参与偏航控制，修正叶轮对风角度，消除叶轮20的对风误差，可以提高风力发电机组1的发电量，并降低机组载荷。具体来说，风力发电机组1在运行中如果叶轮20存在对风误差，那么每个叶轮叶片受到的载荷不相同并且呈周期性变化。本实用新型的实施例运用这个特征设计了小型、简单的受风件11，用于判断叶轮20是否存在对风误差角度。受风件11的受风叶片112可采用后倾斜方式安装在连接杆111上，当叶轮20存在对风误差时，这种设计可增大连接杆111左右两侧的受风叶片112的推力差异性，相当于可以提高受风件11对风向的敏感度，还可以减少受风叶片112的振动及挥舞频率，具有较好的气动性。此外，本实用新型的实施例运用反向思维将风向检测装置10安装在叶轮20的导流罩21前端，可以免受叶轮20产生的湍流影响，提高了叶轮20对风的准确性。

虽然上面已经详细描述了本实用新型的实施例，但本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，可对本实用新型的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本实用新型的实施例的精神和范围内。

Claims (12)

1.一种风向检测装置(10)，用于风力发电机组(1)，其特征在于，所述风向检测装置(10)包括：

受风件(11)，包括连接杆(111)以及与所述连接杆(111)相连接的至少两个受风叶片(112)，所述至少两个受风叶片(112)沿所述连接杆(111)的周向间隔布置；和

测风传感器(12)，与所述受风件(11)相连接，所述测风传感器(12)用于测量所述受风件(11)的受力，以测量风向。

2.如权利要求1所述的风向检测装置(10)，其特征在于，

所述连接杆(111)的第一端用于连接所述风力发电机组(1)的叶轮(20)，所述连接杆(111)的第二端朝向远离所述叶轮(20)的方向延伸，所述至少两个受风叶片(112)的根部靠近所述连接杆(111)的第二端设置，所述至少两个受风叶片(112)的宽度方向垂直于所述连接杆(111)的轴向，所述至少两个受风叶片(112)的长度方向与所述连接杆(111)的轴向的夹角θ为锐角。

3.如权利要求2所述的风向检测装置(10)，其特征在于，

所述至少两个受风叶片(112)中的每个受风叶片(112)的长度方向与所述连接杆(111)的轴向的夹角θ的取值范围为20°至70°。

4.如权利要求1所述的风向检测装置(10)，其特征在于，所述至少两个受风叶片(112)的长度和宽度的比值的取值范围为3至15。

5.如权利要求1所述的风向检测装置(10)，其特征在于，

所述至少两个受风叶片(112)的数量为偶数个，所述至少两个受风叶片(112)划分为至少一组，所述至少一组中的每组均包括两个受风叶片(112)，同一组中的两个受风叶片(112)关于所述连接杆(111)镜像对称。

6.如权利要求5所述的风向检测装置(10)，其特征在于，

同一组中的两个受风叶片(112)在所述连接杆(111)的周向上的夹角为180°。

7.如权利要求1所述的风向检测装置(10)，其特征在于，

所述测风传感器(12)的数量与所述至少两个受风叶片(112)的数量相等且一一对应设置，其中，所述测风传感器(12)连接在所述连接杆(111)和所述受风叶片(112)的根部之间，或，所述测风传感器(12)设置在所述受风叶片(112)的表面；或

所述至少两个受风叶片(112)的数量为两个，两个所述受风叶片(112)关于所述连接杆(111)镜像对称，且两个所述受风叶片(112)在所述连接杆(111)的周向上的夹角大于90°，所述测风传感器(12)与所述连接杆(111)相连接，所述测风传感器(12)沿所述连接杆(111)的周向对应于至少一个所述受风叶片(112)设置。

8.如权利要求1至7中任一项所述的风向检测装置(10)，其特征在于，

所述连接杆(111)能够与所述风力发电机组(1)的导流罩(21)固定连接，以使所述受风件(11)与所述导流罩(21)一起转动。

9.如权利要求8所述的风向检测装置(10)，其特征在于，所述风向检测装置(10)还包括受风叶片位置传感器(13)，用于检测所述至少两个受风叶片(112)中的目标受风叶片是否转动至目标位置。

10.如权利要求9所述的风向检测装置(10)，其特征在于，所述受风叶片位置传感器(13)包括参考件(131)和检测件(132)，所述参考件(131)能够与所述连接杆(111)一起转动，所述检测件(132)固定在设定位置，使得当所述目标受风叶片转动至所述目标位置时，所述参考件(131)能够转动至所述检测件(132)的触发区域而触发所述检测件(132)。

11.如权利要求10所述的风向检测装置(10)，其特征在于，

所述参考件(131)为金属挡块，所述检测件(132)为接近开关；或

所述参考件(131)为图形标记，所述检测件(132)为图像采集器。

12.一种风力发电机组(1)，其特征在于，所述风力发电机组(1)包括：

如权利要求1至11中任一项所述的风向检测装置(10)。

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