NO338891B1 - Fremgangsmåte og anordning for bestemmelse av den vindhastighet og -retning som en vindturbin utsettes for - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en anordning og fremgangsmåte for bruk ved bestemmelse av hastigheten og retningen av den vind som en vindturbin utsettes for.

Utgangseffekten fra en vindturbin og belastningene utøvet på vindturbinen av vinden er i en stor grad avhengig av orienteringen av vindturbinen i forhold til vinden. Derfor finnes det på de fleste vindturbiner utstyr for å justere orienteringen av vindturbinen slik at optimal orientering kan oppnås. I tillegg finnes det på de fleste vindturbiner utstyr som lar vindturbinen bli justert f.eks. ved å endre bladenes angrepsvinkel i avhengighet av vindhastigheten.

For at vindturbinen skal bli optimalt justert behøver vindhastigheten og -retningen å være kjent. Ved å justere vindturbinen mer optimalt vil utgangseffekten fra vindturbinen øke og belastningen på vindturbinen avta. I tillegg gjør nøyaktig måling av vindhastighet og -retning det mulig å bestemme vindturbinens effektytelse nøyaktig. Nøyaktige effektytelsesdata for en vindturbin er meget viktig for riktig justering og overvåking av vindturbiner.

Med tidligere kjent teknikk er den mest vanlige løsning som brukes for å måle hastigheten og retningen av vinden å plassere en roterende vindmåler og en vindfløy eller værhane på taket av vindturbinens skrog (gondol). Problemet med denne løsning er at vindmålingen finner sted bak rotoren. Rotoren induserer turbulens og derfor vil vinden målt ved hjelp av vindføleren være forskjellig fra vinden på forsiden av rotoren. Dersom vinden kommer fra en vinkel enten horisontalt eller vertikalt kan i tillegg vindturbinens skrog innføre hvirvelvinder og grenselageffekter som kan påvirke vindfølere kraftig.

En løsning for formålet å verifisere effektytelsen er å plassere en mast med en vindhastighets- og retningsføler i avstand fra vindturbinen. Typisk plasseres en sådan mast i en avstand på 2 - 3 rotordiametre bort fra vindturbinen. Dette virker bra på steder hvor vinden er omtrent den samme der masten er og vindturbinen er, idet beliggenhet på flatt land og vindmølleparker til havs er gode eksempler. På mange steder er imidlertid dette ikke tilfellet. Et eksempel er en vindturbin plassert i et fjellområde. I sånne situasjoner vil vinden være forskjellig ved vindføleren og ved vindturbinen, og det er derfor nødvendig å finne korrelasjonen mellom de to posisjoner. Dette er meget kostbart fordi nok en mast behøver å bli reist der vindturbinen er.

En annen vanlig mulighet er å plassere en vindføler på en aksel som strekker seg foran vindturbinen koaksialt med rotorens dreieakse. Dette bringer vindføleren foran vindturbinen og bort fra turbulensen som forårsakes av rotoren eller av vindturbinlegemet. Siden rotoren snurrer og vindføleren behøver å bli holdt fast behøver det å bli bygget et komplisert mekanisk system inn i rotoren for å la rotoren spinne om den stasjonære aksel som holder vindføleren. Det finnes også andre mer avanserte følersystemer som kan måle vindhastigheten som passerer over hvert blad direkte. Et sådant system er beskrevet i US 6 361 275. I dette system er det montert et anemometer (eller vindmåler) på hver blad. Dersom rotorens rotasjonshastighet og angrepsvinkelen på bladet er kjent, kan den faktiske vindhastighet på bladet bestemmes.

Et annet avansert følersystem er vist i GB 2 067 247. Systemet frembragt med denne oppfinnelse består av to trykkfølere plassert nær spissen av bladets profil. Dersom rotorens rotasjonshastighet og angrepsvinkelen på bladet er kjent kan vindhastigheten ved bladet bestemmes på grunnlag av trykkavlesninger. I tillegg gir dette system en fremgangsmåte ved orientering av en vindturbin inntil den vender direkte mot vinden. Dette gjøres ved å sammenligne trykkavlesningene når rotoren befinner seg ved 90° og ved 270°. Dersom trykkene er like vender rotoren direkte mot vinden. Dersom de er ulike justeres rotorposisjonen inntil forskjellen er lik null.

Et annet dokument, EP 1 288 494, beskriver en plan vindhastighets- og retningsføler som har to pitotrør montert i plan med en vinkel i forhold til hverandre. Dette gjør det mulig for føleren å bestemme vindhastigheten og -retningen i et eneste plan. EP 1 288 494 nevner også at føleren kan monteres på en vindturbins rotor og at den sinusformede avgivelse fra pitotrørene kan brukes for å orientere vindturbinen. Det er imidlertid ikke gitt noen detaljer om hvordan den sinusformede avgivelse skal brukes for å orientere vindturbinen. Det antas at det brukes en fremgangsmåte som tilsvarer den beskrevet i GB 2 067 247.

De tre systemer som er beskrevet ovenfor gir imidlertid ikke en direkte metode for måling av hovedvindhastigheten og -retningen som midten av vindturbinens rotor utsettes for. Midten av rotoren brukes typisk som referanseposisjon for en effektkurves vindhastighet. I tillegg bygger to av de tre ovenfor omtalte systemer på følere montert i eller på bladene. Følere montert i eller på bladene er vanskelige både å installere og vedlikeholde på grunn av deres posisjon. Følere montert på bladene utsettes også for det problem at lufthastigheten over bladene i stor grad er en funksjon av bladhastigheten. Typisk vil lufthastigheten som skyldes bladhastigheten være mye høyere enn lufthastigheten som skyldes vinden. Videre gir de tre ovenfor beskrevne systemer ingen informasjon om vindstrømmens helningsvinkel. Strømningens helningsvinkel er den vinkel som vinden danner med vindturbinens dreieakse i et vertikalt plan. Ved å kjenne strømningens helningsvinkel kan belastningen på vindturbinen bestemmes mer nøyaktig.

Et første aspekt av foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en anordning for avføling av vindhastighet og -retning for vindturbiner, som kan plasseres foran rotoren og festes stivt til rotoren.

Et andre aspekt av oppfinnelsen er å fremskaffe en anordning og fremgangsmåte for avføling av vindhastighet og -retning for vindturbiner, som kan måle vindhastigheten og -retningen i det tredimensjonale rom.

Et tredje aspekt av foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en fremgangsmåte ved avføling av vindhastighet og -retning for vindturbiner, som kan måle både vindhastighet og -retning med en enkel, robust og billig anordning.

Et fjerde aspekt av foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en anordning for avføling av vindhastighet og -retning for vindturbiner, som kan fremstilles uten noen bevegelige deler.

Et femte aspekt av foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en fremgangsmåte ved avføling av vindhastighet og -retning for vindturbiner, som i visse utførelser fordrer liten beregningskraft.

Den nye og unike måte som foreliggende oppfinnelse utfører de ovenfor nevnte aspekter på, er ved å foreslå en anordning som nevnt i det innledende avsnitt og som omfatter i det minste en føler festet til vindturbinens rotor, en vinkelføler for å måle vinkelposisjonen for vindturbinens rotor og en krets som omdanner sammenhengen mellom avgivelsen fra nevnte minst ene føler og avgivelsen fra vinkelføleren, til hastigheten og retningen av vinden som vindturbinen utsettes for.

På denne måte er det fremskaffet en føleranordning som gjør det mulig å plassere følerne foran rotoren for derved å hindre luftturbulens generert av rotoren og skroget, fra å innvirke på følerenes avgivelse. I tillegg blir montasjen av følerne meget enkel siden følerne festes direkte til rotoren. Dette fører til en føleranordning til lav pris og med lite vedlikehold.

Avhengig av den type føler som benyttes kan det frembringes mange mulig utførelsesformer av en føleranordning som ikke har noen bevegelige deler. I tillegg er visse typer følere særlig velegnet ved barske temperatur- og værforhold. På denne måte kan følersystemet gjøres meget robust.

Siden følerne roterer sammen med rotoren avsøker følerne vinden ettersom den roterer og blir derved i stand til å bestemme vindhastigheten og - retningen i det tredimensjonale rom.

I en foretrukket utførelse kan den minst ene føler være montert på vindturbinens propell-navhette, eller på et legeme festet til vindturbinens rotor. Dersom kjennetegnene ved luftstrømmen omkring navhetten eller legemet er kjent kan på denne måte disse kjennetegn brukes for å bidra til å bestemme vindhastigheten og -retningen.

Et foretrukket valg med hensyn til føler er en lufthastighetsføler. Det er tilgjengelig mange forskjellige typer lufthastighetsfølere, slik som lydbølgefølere, roterende vindmålere, osv., som er robuste og billige. Et annet valg er en trykkføler, idet avgivelsen fra trykkføleren representerer overflatetrykket på et sted på navhetten eller legemet. Overflatetrykket står i forhold til hastigheten på luften som strømmer over overflaten og kan derfor også brukes for å bestemme vindhastigheten og -retningen.

For å gjøre beregningen enklere kan to følere festes til rotoren, idet de to følere plasseres symmetrisk omkring rotorens dreieakse og monteres på et plan som innbefatter dreieaksen. På denne måte kan systemet ved enhver dreievinkel av rotoren finne den vinkel som vinden danner med dreieaksen i vedkommende plan. Ved å registrere avgivelsen fra de to følere ved to forskjellige vinkelposisjoner, idet de to vinkelposisjoner ligger 90° fra hverandre, kan vindretningen spesifiseres i tre dimensjoner.

Ved å feste tre eller flere følere på rotoren, idet de tre eller flere følere plasseres med lik innbyrdes vinkelavstand omkring rotorens dreieakse, kan vindhastigheten og -retningen bestemmes i tre dimensjoner ved enhver vinkelposisjon av rotoren ut fra en eneste registrering ved vedkommende posisjon,

Foreliggende oppfinnelse fremskaffer også en fremgangmåte som angitt i det innledende avsnitt og som omfatter trinn hvor i det minste en føler dreies omkring dreieaksen for vindturbinens rotor, avgivelsen fra nevnte minst ene føler registreres i i det minste en vinkelposisjon og sammenhengen mellom nevnte minste ene registrering og den minst ene vinkelposisjon hvor den ble foretatt, brukes for å beregne vindhastigheten og -retningen. På denne måte er det fremskaffet en fremgangsmåte som er enkel og som har små fordringer med hensyn til beregningskraft.

Det finnes mange forskjellige føleranordninger som kan brukes for fremgangsmåten ovenfor. Det skal forstås at foreliggende fremgangsmåte ikke er begrenset til anordningene beskrevet i dette dokument. Det skal også forstås at antallet følere og antallet vinkelposisjoner hvor registreringer utføres, kan variere. Når f.eks. tre følere er plassert i lik innbyrdes avstand på overflaten av navhetten kan vindhastigheten og -retningen spesifiseres med én avlesning. Når bare en føler er montert på overflaten av navhetten kan flere registreringer brukes for fullstendig å definere vindhastigheten og -retningen i det tredimensjonale rom.

I visse tilfeller kan den minst ene føler monteres på et legeme festet til vindturbinens rotor og strømningskarakteristikken for luftstrømmen omkring nevnte legeme kan benyttes under beregningen av vindhastighet og -retning. Legemet kan f.eks. være rotorens navhette. Bruk av strømningskarakteristikken for luftstrømmen omkring et sådant legeme gjør det mulig å montere følerne ganske nær legemet, siden de ikke-lineære virkninger av luftstrømmen omkring legemet blir tatt i betraktning.

I en annen utførelse av fremgangsmåten kan avgivelsen fra nevnte minst ene føler registreres på flere punkter under dreiningen av rotoren og den sinusformede sammenheng mellom registreringene og vinkelposisjonen hvor registreringene er gjort, brukes for å bestemme vindhastighet og -retning. Brukes statistikk, kan fluktuasjonene i vindhastighet og -retning filtreres ut og gjennomsnittlig vindhastighet og -retning finnes.

I nok en annen utførelse av fremgangsmåten kan fasen og de ekstreme verdier av det ovenfor beskrevne sinusformede forhold brukes for å bestemme vindens hastighet og -retning. Bruk av fasen og de ekstreme verdier av det sinusformede forhold fører til en enkel metode som fordrer liten beregningskraft.

Det bør være klart for fagfolk på området at de ovennevnte beskrevne utførelser bare er noen få blant mange anordninger og fremgangsmåter som kan realiseres innenfor omfanget av foreliggende oppfinnelse.

Oppfinnelsen skal nå forklares mer detaljert nedenfor, hvor ytterligere fordelaktige egenskaper og eksempler på utførelser er beskrevet med henvisning til tegningene, på hvilke: Fig. 1 skjematisk viser en vindturbin i perspektiv, som er utstyrt med en første utførelse av et

følersystem i henhold til oppfinnelsen,

fig. 2viser i perspektiv en detalj av det samme,

fig. 3viser en sideskisse av det samme,

fig. 4viser en detalj sett fra siden, av det samme,

fig. 5viser de teoretiske strømningslinjer for luft som strømmer omkring en kule,

fig. 6viser den teoretiske tangentielle hastighet av luftstrømmen omkring en kule målt ved

forskjellige vinkler av cp angitt i fig. 5.,

fig. 7viser definisjonen av vinklene som brukes for å beskrive vindretningen i en første fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen, hvor a) viser navhetten typisk sett ovenfra, b) viser navhetten typisk sett forfra og c) viser navhetten typisk sett fra siden.

fig. 8viser sammenhengen mellom vinkelen for vinden og lufthastighetsforholdet målt med

lufthastighetsfølere montert på motsatte sider av vindturbinens navhette,

fig. 9er en skjematisk representasjon som i perspektiv viser en vindturbin utstyrt med en andre

utførelse av følersystemet i henhold til oppfinnelsen,

fig. 10viser i perspektiv en detalj av det samme,

fig. Uviser den teoretiske trykkforskjell mellom lufttrykket på forskjellige steder på overflaten av

en kule og lufttrykket i en større avstand fra kulen,

fig. 12viser vinklene som brukes for å definere vindretningen i en andre fremgangsmåte i

henhold til oppfinnelsen,

fig. 13viser sammenhengen mellom vinkelen for vinden og lufttrykkforskjellsforholdet målt med

trykkføleravlesninger utført på motsatte sider av vindturbinens navhette,

fig. 14viser skjematisk en perspektivskisse av en vindturbin utstyrt med en tredje utførelse av

føleranordningen i henhold til oppfinnelsen,

fig. 15.viser en detalj av det samme,

fig. 16viser skjematisk en perspektivskisse av en vindturbin utstyrt med en fjerde utførelse av

føleranordningen i henhold til oppfinnelsen,

fig. 17viser en detalj av det samme,

fig. 18viser en sideskisse av en femte utførelse av følersystemet i henhold til oppfinnelsen, og fig. 19viser en detalj av det samme.

Et første eksempel på en utførelse 1 av anordningen i henhold til oppfinnelsen er vist i fig. 1-4. I dette eksempel er to endimensjonale (1D) lufthastighetsfølere 2 montert på navhetten 3 for en vindturbin 4 i et plan som inneholder dreieaksen 5 for navhetten. Som det vil være kjent for fagfolk på området består rotoren 6 typisk av to eller flere blader 7 som er satt sammen ved navet. En navhette 3 er festet til midten av rotoren for å strømlinjeforme strømningen omkring navet. Navet er plassert inne i navhetten og kan derfor ikke sees i fig. 1-4.

Den fremre halvdel av navhetten er kuleformet i den hensikt å sikre at strømningen omkring navhetten er veldefinert og jevn. De to 1 D-følere 2 måler komponenten av lufthastigheten over navhettens grenselag i planet hvor følerne ligger og i en retning som er tangentiell til overflaten av den kuleformede navhette på det sted hvor følerne er montert.

I dette eksempel brukes det endimensjonale lydfølere. Hver lydføler har to følerhoder 8a, 8b. Prinsippet for virkemåten av lydfølere er å måle den tid det tar for en lydbølge å vandre mellom de to følerhoder 8a, 8b. En lydbølge sendes fra det første følerhode 8a til det andre følerhode 8b. Det andre følerhode 8b mottar lydbølgen og en andre lydbølge sendes fra det andre følerhode 8b til det første følgerhode 8a. Lufthastigheten i retning mellom spissene kan bestemmes ut fra den forskjell i tid det tar for de to lydbølger å vandre avstanden mellom de to følerspisser. Disse følere har ingen bevegelige deler og er derfor meget robuste. De kan også oppvarmes i den hensikt å forhindre isbelegg i kaldt klima.

Mange andre typer følere kan imidlertid også brukes for denne anvendelse ikke bare endimensjonale akustiske følere. Noen eksempler (ikke vist) er pitotrør, Savonius-rotorer, roterende vindmålere med propeller eller skåler, osv. Noen følere, slik som endimensjonale lydfølere, kompenserer automatisk for navhettens rotasjon, mens andre følere, slik som roterende vindmålere med skåler også påvirkes av navhettens rotasjon. I slike tilfeller er det mulig å kompensere for navhetterotasjonen ved å bestemme navhettens rotasjonshastighet ut fra måling av rotorens posisjon over tid.

Siden følerne i foreliggende eksempel er montert direkte på navhetten kan de monteres slik at de er tilgjengelig fra innsiden av navhetten. Mange vindturbiners navhette er så store at en vedlikeholdsperson kan kravle inn i navhetten. Følerne kan derfor monteres fra innsiden av navhetten, slik at hoveddelen av føleren befinner seg inne i navhetten, mens de avfølende komponenter rager frem gjennom et eller flere små hull i overflaten av navhetten. I eksempelet med en 1D lydføler er to små hull boret i overflaten av navhetten og som lydsondene rager igjennom. Hoveddelen av lydføleren som har signalbehandling og elektronikk, er boltet til innsiden av navhetten. Mange andre følere kan monteres på denne måte, slik som Savonius-rotorer, to-bladede propeller, pitotrør, osv.

I foreliggende eksempel kan vindhastigheten og -retningen bestemmes ut fra to 1D følere ved å utnytte kunnskap om hvordan luftstrømhastigheten endres i to motsatte retninger omkring en kuleformet gjenstand kombinert med kunnskap om rotorens posisjon i forhold til horisonten. Fig. 5 er en skjematisk representasjon av den teoretiske strømning omkring et kuleformet legeme 9. I henhold til hvirvel- eller rotasjonsfri strømningsteori kan den tangentielle lufthastighet for luftstrømmen omkring en kule på et visst punkt 10 skrives som:

hvor v er hastigheten av vinden i en tilstrekkelig avstand fra navhetten til at den ikke påvirkes av navhetten, cp er vinkelen som dannes mellom en vektor fra midten av kulen til punktet 10 av interesse og vindretningsvektoren, R er kulens radius og r er avstanden fra midten av kulen til punktet av interesse. Fig. 6 viser den tangentielle lufthastighet ved forskjellige verdier av cp for en vindhastighet på 10 m/s og et r/R-forhold på 1,1.

For å finne vindretningen brukes to vinkler ah og av, slik som vist i fig. 7. Den første vinkel ah angir vinkelen for projeksjonen av vindvektoren W i xz-planet. Dette plan er typisk horisontalplanet. Vinkelen sies å være positiv i retningen mot urviseres om y-aksen. Den andre vinkel av angir vinkelen for projeksjonen av vindvektoren W i xy-planet. Dette plan er typisk vertikalplanet. Positive vinkler sies å være i retningen mot klokken om z-aksen.

Den første vinkel ah finnes ved å bruke forholdet mellom vindhastigheter målt ved hjelp av de to 1D følerne 2 når de ligger i xz-planet. Den andre vinkel av finnes ved å bruke forholdet mellom vindhastigheter målt ved hjelp av de to 1D følerne 2 når de ligger i xy-planet. Ved å bruke av som et eksempel og formelen (1) for tangential vindhastighet som angitt ovenfor kan dette forhold beregnes til å være:

Vinkelen e er den vinkel med hvilken følerne er plassert i forhold til dreieaksen 5 for navhetten 3, se fig. 4. I foreliggende eksempel er e konstant lik 30°. Som det kan sees er forholdet F slik det er angitt i ligning (2) bare en funksjon av av og ikke av vindhastigheten. Ved å måle dette forhold og bruke den inverse av sammenhengen ovenfor kan derfor vinkelen av finnes. Fig. 8 viser den inverse av sammenhengen ovenfor. I dette eksempel kan det også finnes en løsning i lukket form på sammenhengen ovenfor, se ligning (3), men for mer kompleks navhettegeometri behøver det ikke være mulig å finne en løsning i lukket form

Den faktiske vindhastighet kan finnes ved å sette f.eks. den første målte lufthastighet vi og den beregnede vinkel av inn i formelen (1) og løse denne med hensyn til voo. Ligning (4) viser ligning (1) løst med hensyn til voo:

Beregningene vist ovenfor kan utføres i en viss type elektronisk krets. Denne krets kan f.eks. være en mikrostyring eller mikroprosessor (ikke vist). I en annen utførelse kan kretsen være en analog krets som avgir analoge signaler som er proporsjonale med vindhastigheten og -retningen. Kretsen kan enten plasseres inne i selve navhetten eller i skroget 11. Signalene kan overføres fra navhetten til skroget via en blant mange kjente former for datatransmisjon. I moderne vindturbiner er det allerede mange signaler som overføres fra navhetten til skroget.

I eksemplet gitt ovenfor blir avgivelsene fra de to lufthastighetsfølere registrert i to vinkelposisjoner. Den første er når lufthastighetsfølerne ligger i horisontalplanet, mens den andre er når lufthastighetsfølerne ligger i vertikalplanet. Lufthastighetsfølerenes vinkelposisjon kan påvises på mange forskjellige måter. Ett eksempel går ut på å bruke en vinkelføler (ikke vist) som kontinuerlig måler vinkelposisjonen av rotoren 6. Siden lufthastighetsfølerne 2 er festet til rotoren er rotorens vinkelposisjon og lufthastighetsfølerenes vinkelposisjon faste i forhold til hverandre. Avgivelsen fra lufthastighetsfølerne kan derfor registreres når vinkelføleren påviser den ønskede vinkelposisjon for rotoren. Flere vinkelfølere kan brukes i visse tilfeller for å gi redundans i tilfellet en eller flere av vinkelfølerne svikter.

Et annet eksempel (ikke vist) er å ha en eller annen type utløser montert på vindturbinens rotor og som utløser målinger hos lufthastighetsfølerne hver gang rotoren når en bestemt posisjon. Denne utløser kan f.eks. være en Hall-effekt-føler montert på rotoren, som gir en puls hver gang Hall-effekt-føleren passerer en magnet plassert på vindturbinens skrog. I skroget kan det legges inn fire magneter i en avstand på 90° fra hverandre. Dette system kan også sies å være en slags vinkelføler siden det utløser ved bestemte vinkelposisjoner.

Fig. 9-10 viser en andre utførelse 12 av anordningen i henhold til oppfinnelsen. I denne utførelse blir trykkavlesninger fra en trykkføler 13 montert på overflaten av navhetten 3 for en vindturbin 4 brukt for å bestemme vindhastigheten og -retningen som vindturbinen utsettes for.

I denne utførelse brukes bare en trykkforskjellsføler 13, men for fagfolk på området vil det være klart at ytterligere trykkfølere kan brukes for å øke systemets ytelse. Som et eksempel vil økning av følerantallet øke både oppløsningen og båndbredden av målingene.

Som i det tidligere eksempel har vindturbinen vist i fig. 9 -10 en navhette med en kuleformet fremre overflate. For å finne trykkfordelingen brukes den teoretiske trykkfordeling for et fluid i grenseskiktet omkring en kule slik den er gitt i hvirvel- eller rotasjonsfri strømningsteori. Trykkfordelingen er gitt ved: hvor cp er vinkelen mellom en vektor som beskriver retningen av fluidet i fri strømning og en vektor mellom midten av kulen og punktet av interesse på overflaten. Dette er den samme vinkel som angitt i fig. 5. Cp er trykkoeffisienten som defineres som:

hvor p er fluidets densitet, p er trykket på punktet av interesse på overflaten av kulen, poo og voo er henholdsvis trykket og lufthastigheten på et sted som befinner seg utenfor påvirkning fra navhetten, slik som på en stav 14 montert foran navhetten. Fluidets densitet p kan

bestemmes ut fra oppslagstabeller dersom fluidets trykk og temperatur er kjent. Fig. 11 viser den teoretiske trykkforskjell (p - poo) som funksjon av cp ved en vindhastighet på 10 m/s.

I det eksempel på en utførelse som er vist i fig. 9 og 10 er en første trykkføler 13 montert på den kuleformede overflate av navhetten i en vinkel på 30° i forhold til dreieaksen for navhetten. En andre trykkføler 15 er montert på en stav 14 som strekker seg fra navhetten på aksen for rotoren 5. Det gjennomsnittlige trykk som måles gjennom hullene 15 i staven gir det atmosfæriske trykk poo og trykkforskjellen på trykkføleren på navhetten p - poo. Staven har også en temperaturføler (ikke vist) ved sin basis omgitt av ringer 16 i den hensikt å skjerme den mot solen. Ettersom navhetten roterer roterer trykkfølerne 13,15 sammen med navhetten. Dette fører til at den første trykkføler 13 "avsøker" trykket på overflaten av navhetten. Avhengig av vinkelen mellom vinden og navhettens dreieakse vil trykkavlesningene endre seg.

I det spesielle tilfelle at vindretningen og dreieaksen er den samme vil trykkmålingen være konstant. Så snart vindretningen og navhettens dreieakse blir noe forskjellig vil avgivelsen fra trykkføleren i gjennomsnitt ha en sinusformet fasing. Denne sinusformede sammenheng kan brukes for å finne vindhastigheten og -retningen. Det vil være klart for leseren at på grunn av fluktuasjoner i vinden vil den aktuelle avgivelse fra føleren 13 ikke være perfekt sinusformet. Ved å bruke statistiske verktøy og/eller ved å ta en rekke målinger over tid kan imidlertid avgivelsen fra føleren tilpasses til et sinusformet forhold. For navhetter som har andre fasonger kan man i tillegg forestille seg at avgivelsen fra føleren ikke blir perfekt sinusformet.

I dette andre eksempel kan det brukes et annet koordinatsystem for å definere vindretningen. Dette koordinatsystem er vist i fig. 12. Den første vinkel p angir vinkelen for et plan A som dreies omkring navhettens dreieakse. Planet A er det plan som vindretningsvektoren ligger i. Dette plan dreier omkring navhettens dreieakse ettersom vindretningen endrer seg. Den andre vinkel a angir vinkelen i planet A mellom vindretningsvektoren og navhettens dreieakse.

Vinkelen p kan finnes ved å bestemme den vinkel hvor det største lufttrykk måles ved hjelp av trykkmåleren. Det største lufttrykk vil finnes når føleren ligger i det samme plan som vindretningsvektoren, dvs. i planet A, som angitt i fig. 12. Derfor kan vinkelen p lett finnes ved å måle navhettens vinkel og registrere vinkelen hvor det største trykk opptrer.

Som i det tidligere eksempel kan forholdet mellom to føleravlesninger brukes for å finne a. I dette eksempel brukes forholdet mellom den minste trykkavlesning og den største trykkavlesning. For navhetten i dette eksempel opptrer den minste trykkavlesning 180° fra den største trykkavlesning. Som i det tidligere eksempel kan to følere monteres på navhetten 180° fra hverandre og avlesningene fra begge følere registreres i en eneste posisjon. I dette eksempel brukes imidlertid bare én føler. Så snart den største trykkavlesning er foretatt dreies derfor føleren 180° videre og den minste trykkavlesning registreres i denne andre posisjon. For å ta hensyn til det forhold at vindhastigheten og -retningen på grunn av fluktuasjoner i vinden ikke er den samme på tidspunktet for de to trykkavlesninger bør trykkavlesningene utføres over et antall rotasjoner i den hensikt å utjevne fluktuasjonene i vinden.

Ved å beregne forholdet Pmin/Pmax kan a bestemmes. Fig. 13 viser sammenhengen mellom dette forhold og a for den teoretiske trykkfordeling som brukes i dette eksempel og en trykkmåler som befinner seg ved 30°. Denne sammenheng behøver å bli bestemt teoretisk eller eksperimentelt dersom en annen type navhette brukes eller dersom en annen plassering av trykkføleren brukes.

Så snart a er kjent kan den settes inn i trykkfordelingsformlene som brukes for å finne en løsning for vindhastigheten. Ligning (7) viser denne sammenheng:

Prosedyren i henhold til dette andre eksempel kan også brukes sammen med følerne omtalt i det første eksempel.

Dersom det brukes to eller flere følere kan følerne kalibreres ved å bruke statistiske verktøy. Se f.eks. på det tilfelle hvor to følere S1 og S2 er montert på et plan symmetrisk om navhettens dreieakse. Dette er det samme som i det første eksempel. For hver halve rotasjon eller 180° som navhetten gjør, bytter de to følere S1 og S2 plass på grunn av dette arrangement. Dette betyr at dersom vindhastigheten og -retningen var konstant skulle avlesningen fra S1 når navhetten befinner seg ved 0° være den samme som avlesninger fra S2 når navhetten befinner seg på 180°. Dersom de to avlesninger omtalt ovenfor skulle være forskjellig, bør følerne kalibreres slik at avlesningene blir den samme. Ved å benytte statistiske verktøy er det mulig å bruke avlesningene fra følerne selv om vindhastigheten og -retningen ikke er konstant.

I de to eksempler gitt ovenfor var følerne montert direkte på en kuleformet navhette. Det er imidlertid ikke nødvendig at navhetten har kuleformet fasong. Andre fasonger, slik som elliptisk, parabolsk, osv. kan også aksepteres. For at fremgangsmåten presentert med denne utførelse skal virke behøver navhetten å ha en slik fasong at luftstrømmen omkring overflaten av navhetten kan bli forholdsvis veldefinert og jevn.

I tilfeller hvor strømningsfordelingen av luft omkring navhetten ikke er veldefinert eller velkjent eller i tilfeller hvor navhetten har ujevn fasong kan et veldefinert legeme festes stivt til rotoren. Et eksempel på dette er vist i fig. 14-15 som viser en tredje utførelse 17 av anordningen i henhold til oppfinnelsen. I fig. 14 -15 er et kuleformet legeme 18 festet direkte til rotornavet 19 via en aksel 20. En eller flere trykkfølere 21 eller lufthastighetsfølere kan da plasseres på dette veldefinerte legeme og fordelingen av luftstrømningen over dette veldefinerte legeme kan brukes når vindhastighet og -retning skal bestemmes.

For illustrasjonsformål gjør de viste eksempler bruk av den teoretiske luftstrømning omkring en kule. Den teoretiske luftstrømning brukt i disse eksempler er utledet fra hvirvel- eller rotasjonsfri strømningsteori (irrotational theory). Siden luftstrømningen på navhetter i den virkelige verden kan være forskjellig fra teorien kan en eksperimentelt målt luftstrømning brukes dersom det fordres større nøyaktighet. En mer nøyaktig luftstrømning kan også bestemmes via mer avansert teori eller programvare for beregnet fluiddynamikk (CFD - Computational Fluid Dynamics), hvor også den mindre innflytelse fra bladenes røtter, skroget og tårnet kan tas med i beregningen.

Foreliggende eksempler gjør bruk av følere som er plassert 30° i forhold til navhettens dreieakse. Den vinkel som følerne plasseres ved har innvirkning på føleranordningens oppløsning såvel som det område av vindretninger den kan måle. Oppløsningen påvirkes på grunn av luftstrømningens ikke-lineære natur. Ser man på tilfellet av en trykkbasert løsning kan det sies at den høyeste oppløsning oppnås når gradienten for trykkfordelingen er høy. I trykkfordelingen omkring en kule, slik som vist i fig. 11, er gradienten høy ved vinkler på omtrent 45°. For å få den beste oppløsning bør derfor følerne plasseres i en vinkel som holder følervinkelen cp nær 45°.

Det område av vindretninger som kan måles ved hjelp av den vindfølende anordning avhenger også av plasseringen av følerene. Ved vinkler av cp som går forbi omtrent 80° kan strømningen avhengig av hastigheten og andre egenskaper ved vinden, skille seg fra overflaten av navhetten og derved gjøre følermålingen upålitelig. Ved å plassere føleren ved 90° kan vinden komme inn ved vinkler på ±50° i forhold til navhettens dreieakse uten at vinkelen cp går over 80°. Plassering av føleren innen et område på 30 - 50° er et godt kompromiss, men andre vinkler er også mulig.

Fig. 16 og 17 viser en fjerde utførelse av en anordning i henhold til oppfinnelsen. I dette tilfelle er to propellvindmålere 23 plassert på en stang 24 som er stivt forbundet med forsiden av navhetten 3. De to følere har en vinkel 30° i forhold til stangens akse. Stangen plasserer følerne utenfor luftstrømningen som påvirkes av fasongen av navhetten. Ettersom navhetten roterer roterer stangen og propellene sammen med navhetten. Propellvindmålerene vil derfor avgi et nærmest sinusformet signal ettersom de roterer, siden vinkelen mellom følerens dreieakse og vindvektoren vil endre seg. Målingene fra propellene kan sammen med måling av rotorposisjonen brukes for å finne vindhastigheten og -retningen. I dette eksempel er det ikke viktig å vite kjennetegnene ved trykk- eller hastighetsfordelingen for luftstrømningen omkring navhetten siden følerne utsettes for vinden på et sted hvor det ikke er noen særlig innvirkning fra navhetten.

I stedet for roterende vindmålere med propeller kan akustiske eller andre typer vind-hastighetsmålere som endrer sin avgivelse med en variasjon i vinkelen til føleren også brukes sammen med rotorposisjonsmåling.

I denne fjerde utførelse er føleren plassert i en vinkel i forhold til dreieaksen i den hensikt å utnytte endringen i føleravgivelsen med endringene i innstrømningsvinkelen under rotasjon for å bestemme vindretningen. Dette prinsipp er lik det tidligere beskrevne prinsipp, men med den forskjell at i dette tilfelle skyldes endringen i føleravgivelsen med endringen i innstrømningsvinkelen under rotasjon, ikke endring i lufthastigheten over navhetten, men i stedet at føleren endrer orientering i forhold til vinden.

Fig. 18 og 19 viser en femte utførelse 25 i henhold til oppfinnelsen. Denne utførelse er blitt

utviklet på grunn av eksperimenter som viste at avgivelsen fra følerne kan gjøres mindre utsatt for følermonteringsfeil og isbelegg på navhetten ved å måle lufthastigheten over navhetten i en vinkel i forhold til den tangetielle luftstrømning. I utførelsen vist i fig. 1 - 8 var følerne anordnet for å måle den tangentielle lufthastighet for luftstrømningen over navhetten. Ved å simulere

virkningen av isbelegg på navhetten kan det sees at oppbygningen av is har en ganske stor innvirkning på målingen av den tangentielle lufthastighet. Ved å bruke den samme simulering og måle lufthastigheten i en vinkel i forhold til tangentvektoren på navhetten på det samme følersted, kan det sees at visse vinkler og visse følerplasseringer er mindre følsomme overfor virkningene fra isbelegg og monteringsfeil.

Fig. 18 viser to følere montert på navhetten 3 i en vinkel på e = ±45° i forhold til rotorens dreieakse 5. Fig. 19 viser en detaljert skisse av en av følerne 26. Følerne 26 er anordnet for å måle lufthastigheten ved en vinkel på p = 26,3° i forhold til den tangentielle luftstrømning som strømmer over navhetten der føleren er plassert. Tangentvektoren er vist i fig. 19 sammen med bokstaven T, mens radialvektoren er vist med bokstaven R og målevektoren er vist med bokstaven M. De vinkler som brukes i dette eksempel benyttes bare som eksempel og skal ikke begrense oppfinnelsen til disse spesielle verdier.

I denne utførelse omfatter føleren 26 et følerlegeme 27 som rommer elektronikk og signalbehandlende utstyr, en bøyet stang 28 og to lydfølerhoder 29, 30 festet til den bøyde stang 28. Den bøyde stang 28 er anordnet på en slik måte at lydfølerhodene befinner seg på vektoren M, slik som vist i fig. 19. Følerlegemet 27 er montert på innsiden av navhetten 3 mens den bøyde stang 28 og lydfølerhodene 29, 30 rager frem gjennom et hull 31 i navhetten 3. På denne måte kan følerenheten lett byttes fra innsiden av navhetten ved å løsne følerlegemet 27 fra navhetten og trekke tilbake den bøyde stang 28 med lydfølerhodene 29,30 gjennom hullet 31 i navhetten 3.

I denne utførelse er navhetten 3 delt i to deler, dvs. en monteringsdel 32 og en følerdel 33. Monteringsdelen 32 er stivt festet til vindturbinens rotor 6. Følerne 26 er festet til følerdelen 32. Følerdelen 33 kan løsnes fra monteringsdelen 32 og plasseres i en vindtunnel for kalibrering og utprøving. Når følerdelen 33 er kalibrert kan den settes tilbake på monteringspartiet 32. Denne løsning vil være særlig viktig for mindre vindturbiner hvor tilgang til innsiden av navhetten ikke er mulig, siden bytte av følerdelen vil være raskere og lettere enn bytte av individuelle følere.

Det arrangement av føleren 26 som er vist i fig. 19 har den tilleggsfordel at lydføleren 30 oppstrøms ikke forstyrrer luftstrømningen gjennom føleren. Dette fører til en mer nøyaktig avlesning av luftstrømningen over navhettens overflate.

Som det vil være klart for leseren vil fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse ikke virke dersom vinden kommer bakfra vindturbinen. I denne situasjon vil en tradisjonell værhane være nyttig for å få vindturbinen orientert i den generelle vindretning. Så snart vindturbinen vender forholdsvis inn mot vinden og rotoren har startet rotasjonen kan anordningen for bestemmelse av vindretning og -hastighet i henhold til foreliggende oppfinnelse overta for værhanen og måle vindretningen og -hastigheten med mye større nøyaktighet.

For alle utførelser av foreliggende oppfinnelse kan vindhastigheten målt ved navhetten eller navet korreleres til den frie vind som er uberørt av vindturbinrotoren. Dette kan gjøres ved å bruke en mast (ikke vist) plassert i tilstrekkelig avstand fra vindturbinen og med en vindhastighetsmåler montert i navhøyde. Korrelasjon kan bestemmes for hele vindhastighetsområdet så vel som for eventuelle forskjellige kontrollstrategier med hensyn til bladregulering.

Som det vil være klart for fagfolk på området er i tillegg eksemplene ovenfor ikke uttømmende. Det finnes mange andre forskjellige måter å plassere følere på en vindturbins rotor eller navhette på, som gjør bruk av teknikker som anvendes i eksemplene ovenfor. Det finnes også mange andre forskjellige matematiske metoder for å konvertere målingene utført av følere montert på en vindturbins rotor eller navhette, til vindhastighet og -retning.

Claims (13)

1. Anordning (1, 12, 17, 22, 25) for bruk ved bestemmelse av hastigheten og retningen av vinden som en vindturbin (4) utsettes for og som omfatter i det minste en føler (2, 13, 15, 21,

23, 26) festet til rotoren (6, 19) for nevnte vindturbin (4), karakterisert vedat den videre omfatter: -en vinkelføler for å måle vinkelposisjonen for rotoren på nevnte vindturbin (4), og -en krets som omdanner sammenhengen mellom avgivelsen fra nevnte minst ene føler (2, 13, 15, 21, 23, 26) og avgivelsen fra vinkelføleren til hastigheten og retningen av vinden som vindturbinen (4) utsettes for.

2. Anordning (1, 12, 22, 25) som angitt i krav 1, og hvor den minst ene føler (2, 13, 15, 21, 23, 26) er montert på navhetten (3) eller navet (19) av vindturbinen (4) eller et legeme (18) festet til rotoren (3, 19) på vindturbinen (4).

3. Anordning (26) som angitt i krav 1 eller 2, og hvor i det minste en føler (26) montert på vindturbinenes (4) navhette (3) omfatter en buet stang (28), to lydfølerhoder (29, 30) festet til den buede stang (28) motsatt hverandre, og et følerlegeme (27) med kretsen.

4. Anordning (1) som angitt i krav 1 eller 2, og hvor nevnte minst ene føler er en luft-hastighetsføler (2).

5. Anordning (12, 17, 22) som angitt i krav 1 eller 2, og hvor nevnte minst ene føler er en trykkføler (13, 15, 21, 23), idet avgivelsen fra nevnte trykkføler (13, 15, 21, 23) representerer overflatetrykket på et sted på nevnte navhette (3) eller legeme (18).

6. Anordning (12) som angitt i et av kravene 1 - 5, og hvor to følere (13, 15) er festet til nevnte rotor (6), idet de to følere (13, 15) er plassert symmetriske om dreieaksen (5) for rotoren og montert i et plan som innbefatter dreieaksen (5).

7. Anordning som angitt i et av kravene 1 - 5, og hvor i det minste tre følere er festet til rotoren og plassert med like store vinkler omkring dreieaksen (5) for rotoren (6).

8. Fremgangsmåte for bruk ved bestemmelse av hastigheten og -retningen av vinden som en vindturbin (4) utsettes for, karakterisert vedat den omfatter trinn hvor: -rotere i det minste en føler (2, 13, 15, 21, 23, 26) omkring dreieaksen (5) for rotoren (6) på nevnte vindturbin (4), -registrere avgivelsen fra nevnte minst ene føler (2, 13, 15, 21, 23, 26) i i det minste en vinkelposisjon, og -bruke sammenhengen mellom nevnte minst ene registrering og den minst ene vinkelposisjon hvor den ble gjort, for å beregne vindhastigheten og -retningen.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, og hvor avgivelsen fra nevnte minst ene føler (2, 13, 15, 21, 23, 26) registreres på flere punkter under rotasjonen av rotoren (6, 19), idet sammenhengen mellom registreringene og den vinkelposisjon hvor registreringen ble gjort, brukes for å bestemme vindhastigheten og -retningen.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, og hvor fasen og ekstremverdiene av sammenhengen brukes for å bestemme hastigheten og retningen av vinden.

11. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 8 -10, og hvor den minst ene føler er i det minste en lufthastighetsføler (2) festet til rotoren (6) på nevnte vindturbin (4).

12. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 8 -10, og hvor den minst ene føler er i det minste en trykkføler (13, 15, 21, 23) montert på et roterende legeme (3, 18) festet til rotoren (6,19) på nevnte vindturbin (4).

13. Anvendelse av en anordning som angitt i et av kravene 1 - 7 for det formål å påvise hastigheten og retningen av den vind som en vindturbin (4) utsettes for.