具有光学的压力传感器的风能设备以及用于运行风能设备的方法技术

本发明专利技术涉及一种风能设备和一种用于运行所述风能设备的方法，所述风能设备具有至少一个转子叶片(108)和至少一个设置在转子叶片(108)上的光学的压力传感器(18)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有压力传感器的风能设备以及一种用于运行这种风能设备的方法。
技术介绍
根据现有技术，风能设备承受具有不同特性的风，所述风来自不同方向并且以不同强度尤其吹到风能设备的转子叶片上。在这种不同的风况下，风能设备将由风提取的动能转化为电能，并且将所述电能馈入供电网中。在将风能转化为电能时，风能设备根据风况和预定的要馈入的电功率在不同的工作点运行，其中尤其由叶片俯仰角和要设定的发电机力矩确定每个工作点。在此，尽可能理想地设定工作点，以便在考虑长的使用寿命的情况下并且越来越多地在保持小的运行噪音的情况下实现有效率的运行。有效率尤其指的是由可用的风产生尽可能高的能量。在此，当风能设备建在住宅区范围中时，尤其将主要由转子叶片上的湍流产生的运行噪音最小化，以至于居民不会被风能设备的转子叶片的噪音打扰。通常——为了满足上述运行前提——例如以计算机辅助的方式研发和模拟转子叶片，其中也借助于模型通过在风洞中的实际试验来检验由此研发的转子叶片的实际性能。在研发时，例如匹配于在建立地点处通常占主导的风况地研发转子叶片。随后，风能设备的用于设定和/或调节设备的理想工作点的控制装置和/或调节装置匹配于相应的转子叶片的特性。为此，在控制装置和/或调节装置中存储有一种转子叶片模型，所述转子叶片模型在最简单的情况下由一个或多个换算表建立。然后，借助于转子叶片模型在附加地考虑测量出的风况的情况下设定和/或调节工作点，使得实现转子叶片的估计的入流情况。在此，入流情况尤其理解为在转子叶片上的流分布。据此，风能设备的控制装置和/或调节装置考虑分别安装在风能设备上的转子叶片的预定的性能以设定风能设备的工作点。然而，在这种调节和/或控制中得到技术上的问题：转子叶片的性能在使用寿命期间变化，并且因此在仅考虑预定的转子叶片模型的情况下不再能够理想地设定工作点。此外，转子叶片的这种老化过程也是在转子叶片模型中不可考虑的，因为所述老化过程与多个——而且偶然的——因素相关。因此，在转子叶片上的漆层的例如腐蚀、即尤其脱落对在转子叶片表面或转子叶片壁上的流特性产生强烈的影响，所述腐蚀在转子叶片前缘处、尤其在转子叶片的外部区域中产生。然而，腐蚀尤其与在相应的风能设备的环境空气中的颗粒的数量和状态相关，使得不可预见出现的腐蚀。据此，在调节的和/或设定的工作点，在一些运行时间之后，转子叶片的预定的入流情况不再对应于实际的入流情况。德国专利和商标局在优先申请中检索到如下现有技术：WO2012/122669A1和US7159468B2。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是，找到一种风能设备和一种用于所述风能设备的运行的方法，所述风能设备和方法——尤其与随着使用寿命变化的转子叶片性能相关地——实现：风能设备在基本上理想的或最优的工作点运行。本专利技术通过根据权利要求1的风能设备以及根据权利要求16的用于运行风能设备的方法实现目的。为此，本专利技术涉及一种风能设备，所述风能设备具有至少一个转动部分、尤其转子，所述转动部分具有至少一个转子叶片。此外，风能设备具有至少一个设置在转子叶片上的光学的压力传感器。在此，作为光学的压力传感器使用任意如下光学的压力传感器，所述光学的压力传感器借助于光导纤维与施加在传感器上的压力相关地改变预先配置的光，即具有预定特性、例如预定的波长的光。为了变化光的特性，光学的压力传感器例如具有镜或干涉光栅(Interferenzgitter)，所述干涉光栅通过压力影响而机械地移动。有利地，这种传感器具有如下特性：所述传感器不具有金属的部件和/或组件进而具有高的电磁兼容性。由此，具有变化的特性的光将关于实际施加的压力和压力波动的信息传递到传感器上进而传递到转子叶片上，其中能够评估这些信息。在转子叶片的表面上的压力波动也称作壁压力波动，所述转子叶片的表面也称作转子叶片壁。此外，本专利技术基于的认知是：能从施加到转子叶片上的压力变化推断出转子叶片的不同入流情况，所述压力变化得出瞬时压力值。为了评估，构成传感器的压力值的频谱和/或尤其功率密度谱。据此，转子叶片的入流情况能够由这些频谱和/或功率密度谱确定。因此，结合区域(Integrationsbereich)与流拓扑(层流的或湍流的边界层)相关地具有不同的功率密度谱。据此，能够借助于光学的压力传感器测量作用到转子叶片上的压力值或压力差，使得一个或多个转子叶片的实际的入流情况是可测量的而不必从模型中获取。由此，在调节时能够考虑实际的入流情况，使得尤其也能够考虑转子叶片的老化过程。此外，与在转子叶片上的常规传感器不同，光学的压力传感器能够持续运转，因为所述光学的压力传感器相对于静电电荷和/或快速放电不敏感。根据第一有利的实施方式，风能设备的至少一个转子叶片具有至少两个在转子叶片的压力侧和/或抽吸侧上的光学的压力传感器。根据另一有利的实施方式，至少一个转子叶片具有四个在压力和抽吸侧上分布的光学的压力传感器。通过设置多个分布的压力传感器，能够在转子叶片的表面的不同区域中测量压力曲线分布进而能够测量不同的局部的流动情况，例如层流的和湍流的或局部的有效的调节角和入流速度，进而也能够在位置方面限定流动情况的过渡区域。关于在转子运行上的入流速度和调节角的分布的信息能够用于：在风切变(即风速随高度的变化)以及风向随高度的变化方面评估风场。这些信息能够用于例如在功率、噪音或负荷方面最优地运行设备。根据另一有利的实施方式，光学的压力传感器或其中至少一个光学的压力传感器设置在后缘的区域中，例如设置在转子叶片的轮廓深度的98％处。根据一个特别有利的实施方式，设置在转子叶片的位于径向外部的30％至40％处。借助于在转子叶片的后缘的区域中的光学的压力传感器能够确定瞬时压力值，所述压力值尤其在后缘上作用于转子叶片。据此，在该区域中的压力传感器有利地尤其用于确定在叶片后缘上的湍流。这些压力波动允许推断出转子叶片的所发出的声功率。为此，例如还形成压力传感器的压力值的功率密度谱或频谱，其中功率在特定的——与叶片几何形状相关的频率范围中——是用于发出的声功率的计量单位。尤其，当叶片俯仰角和/或发电机力矩不最优地匹配于风况进而在转子叶片壁上产生不期望的湍流和/或流分离效应时，产生提高的、发出的声功率。据此，在设定工作点以降低噪音时，有利地考虑借助于在后缘上的光学的压力传感器确定的压力波动，其方式例如是：依据功率密度谱的或频谱的功率或幅值，对调节给定值或设定参数进行匹配。因此，能够有利地使风能设备的噪音排放最小化。根据本专利技术的另一有利的实施方式，至少一个转子叶片具有多个光学的压力传感器，所述压力传感器沿流动方向偏移地设置。在此，偏移角尤其选择为，使得定位在下游的压力传感器不被定位在上游的压力传感器的出现的过渡楔(Transitionskeile)影响。据此，压力传感器设置为，使得过渡楔、即楔形构成的从层流至湍流的过渡部不影响在下游跟随的压力传感器的测量值或使其测量值失真，其中由于压力传感器能够沿流动方向或朝下游在压力传感器后方产生所述湍流。根据另一特别的实施方式，偏移角与转子叶片的轮廓相关。在此，根据另一特殊的实施方式，与轮廓相关的偏移角——关于垂直于转子叶片的叶片角调整轴线定向的轮廓剖切线——位于5°至20°的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风能设备(100)，其具有至少一个转子叶片(108)和至少一个设置在所述转子叶片(108)上的光学的压力传感器(18)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.06 DE 102014210949.31.一种风能设备(100)，其具有至少一个转子叶片(108)和至少一个设置在所述转子叶片(108)上的光学的压力传感器(18)。2.根据权利要求1所述的风能设备，其中至少一个转子叶片(108)至少具有两个在所述转子叶片(108)的压力侧(38)上的光学的压力传感器(18)和/或两个在抽吸侧(36)上的光学的压力传感器(18)，或至少四个对称地分布在压力侧和抽吸侧(36，38)上的光学的压力传感器(18)。3.根据权利要求1或2所述的风能设备，其中所述光学的压力传感器(18)或所述光学的压力传感器中的至少一个在叶片后缘(12)的区域中，尤其设置在所述转子叶片(108)的轮廓深度的95％和100％之间的范围中、优选设置在98％处，尤其设置在所述转子叶片的位于径向外部的区域中，例如设置在所述转子叶片(108)的位于径向外部的30％至40％处。4.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备，其中多个光学的压力传感器(18)沿流动方向(14)偏移地设置，使得位于下游的压力传感器(18)保持不被位于上游的压力传感器(18)的过渡楔影响，其中所述偏移角尤其在5°至20°的范围中、优选为15°，其在叶片轮廓前缘(滞点)处开始分别沿着压力侧和抽吸侧朝后缘伸展。5.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备，其中至少一个转子叶片(108)具有一个或多个凹陷部，所述凹陷部尤其最大深度为2mm，其中在一个或多个所述凹陷部中设置有光学的所述压力传感器(18)，或分别设置有光学的所述压力传感器(18)中的至少一个光学的压力传感器。6.根据权利要求5所述的风能设备，其中在所述转子叶片(108)中的一个或多个所述凹陷部是尤其通过铣削引入的通道。7.根据权利要求5或6所述的风能设备，其中一个或多个所述凹陷部由在相应的所述凹陷部的区域中移除的牺牲层制造或形成。8.根据权利要求5至7中任一项所述的风能设备，其中一个或多个光学的所述压力传感器(18)通过粘贴固定在一个或多个所述凹陷部中。9.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备，其中至少一个转子叶片(108)具有一个或多个开口，所述开口用于连接所述转子叶片(108)的外部环境(37)和所述内部空间(35)，所述转子叶片(108)具有多个光学的压力传感器(18)，所述压力传感器分别具有至少一个光导纤维(21)，并且所述光导纤维(21)中的多个穿过所述开口中的至少一个被引入所述内部空间(35)中。10.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备，其中转动部分除了所述转子叶片(108)以外具有导流罩(110)和转子毂(112)，并且所述光导纤维(21)为了光学的所述压力传感器(18)的信息传递而尤其在所述转子叶片(108)的内部空间(35)中伸展至在所述导流罩(110)和/或所述转子毂(112)中的区域。11.根据上述权利要求中任一项所述的风能设备，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈·阿尔特米库斯，马文·库恩，克里斯蒂安·纳皮耶腊拉，于尔根·斯托尔滕约翰内斯，
申请(专利权)人：乌本产权有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE