用于确定风力涡轮机叶片与其风力涡轮机塔架之间在经过时的距离的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种确定风力涡轮机的尖端到塔架间隙的方法，风力涡轮机包括风力涡轮机塔架，其中，距离传感器单元布置在风力涡轮机的至少一个风力涡轮机叶片上，并且至少包括发射器和接收器，其中，该方法包括以下步骤：从距离传感器单元朝向风力涡轮机塔架发射信号，测量从风力涡轮机塔架反射的信号，基于发射信号和反射信号确定风力涡轮机塔架和该至少一个风力涡轮机叶片之间的距离，其中，该方法还包括基于在距离传感器单元的位置处的该至少一个风力涡轮机叶片的实际桨距角和偏转角中的至少一个对测量距离进行校正的步骤。少一个对测量距离进行校正的步骤。少一个对测量距离进行校正的步骤。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定风力涡轮机叶片与其风力涡轮机塔架之间在经过时的距离的装置


[0001]本专利技术涉及一种用于确定逆风型风力涡轮机的尖端到塔架间隙的方法，其中，风力涡轮机包括风力涡轮机塔架，布置在风力涡轮机塔架的顶部上的机舱，以及具有至少一个相对于机舱布置的风力涡轮机叶片的可旋转转子，其中，该方法包括使用非接触测量技术来测量风力涡轮机塔架和风力涡轮机叶片的一部分之间的距离的步骤。
[0002]本专利技术还涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架，布置在风力涡轮机塔架的顶部上的机舱，具有至少一个相对于机舱布置的风力涡轮机叶片的可旋转转子，其中，传感器单元配置为使用非接触测量技术来测量风力涡轮机塔架和风力涡轮机叶片的一部分之间的距离。

技术介绍

[0003]当今，风力涡轮机形成一般能源基础设施的既定部件，并且已经使用多年以收获风能并且将其转换成电能。近年来，由于气候和环境变化，人们越来越关注利用可再生能源和增加清洁能源的生产。
[0004]风力涡轮机包括风力涡轮机塔架，经由偏航系统联接到风力涡轮机塔架的机舱，以及具有多个风力涡轮机叶片的转子，该多个风力涡轮机叶片经由转子轴而联接到机舱内的传动系。全翼展叶片在叶片根部处经由变桨系统连接到转子毂。部分变桨叶片具有固定地安装到转子毂的内叶片段和经由变桨系统连接到内叶片段的外叶片段。连接到风力涡轮机中的多个各种传感器的本地风力涡轮机控制器用来控制风力涡轮机的操作。可选地，本地风力涡轮机控制器进一步与远程风电场控制器通信，其中，远程控制器将控制信号发送到各个风力涡轮机控制器，并且从本地风力涡轮机接收各种操作信号。
[0005]为了使风力涡轮机更具成本效益，增加了尺寸，并且因此增加了额定功率输出。然而，风力涡轮机在尺寸上的按比例增大对基础设施、风力涡轮机塔架、传动系且特别是风力涡轮机叶片提出了一些设计和工程挑战。增加风力涡轮机叶片的尺寸和长度需要优化设计以减小总重量，材料消耗以及疲劳和最大载荷。还需要改进的控制策略，以控制空气动力升力，从而控制转子转矩和风力涡轮机叶片的旋转速度。
[0006]已知的是，风力涡轮机叶片在其结构上是柔性的，并且将弯曲到转子平面之外，其中偏转量取决于实际风力、旋转速度和实际桨距角(pitch angle)。这可能潜在地导致风力涡轮机叶片撞击风力涡轮机塔架，这对于结构的完整性而言将是极其关键的，并且代表不可接受的安全风险。如果放置在浮动基础设施上，由于作用在浮动基础设施上的水流和波浪载荷，将额外的偏转引入到风力涡轮机叶片中。
[0007]解决此问题的一种方式是使传动系倾斜，并且因此使转子相对于水平轴线倾斜，从而使风力涡轮机叶片进一步远离风力涡轮机塔架。解决此问题的另一种方式是增加风力涡轮机叶片中的结构强度和/或将预弯曲段引入到风力涡轮机叶片中。解决此问题的另一种方式是使用距离传感器来测量叶片尖端与风力涡轮机之间的距离，其中如果所测量的尖
端到塔架距离降到安全阈值以下，则本地风力涡轮机控制器生成事件信号。然而，由于实际偏转的不确定性以及由此叶片和塔架之间的实际距离的不确定性，针对最坏情况的情形估计安全设计裕度，并且将其用于例如风力涡轮机叶片的设计中。
[0008]US 2015/0159632A1公开了一种塔架间隙测量系统，其包括安装在风力涡轮机塔架上的单个雷达单元或雷达单元阵列，其中，每个雷达单元使用多普勒频移来测量距离。发射器连续地发射频率调制波信号，并且接收器在每次风力涡轮机叶片经过雷达场时接收风力涡轮机叶片的反射信号。然后，处理器使用反射信号和发射信号来确定多个代表测量距离的范围信号。该范围信号进一步用于确定叶片尖端朝向或远离风力涡轮机塔架的速度。如果速度超过阈值，则处理器生成用于停止风力涡轮机的操作的停机控制信号。它没有公开如何对此传感器单元供电或者如何能够仅根据范围信号来生成控制信号。
[0009]WO 02/02936A1公开了一种激光传感器单元，其配置为安装在风力涡轮机塔架上，其中，到风力涡轮机叶片的距离由计算机确定。计算机还基于所存储的距离来计算风力涡轮机叶片的桨距角。然而，此解决方案仅用于在安装风力涡轮机之后验证/校准风力涡轮机叶片的桨距角。在WO02/02936A1中没有指出激光传感器单元可用于尖端到塔架间隙测量。
[0010]US 2008/0101930A1公开了一种尖端到塔架间隙系统，该系统包括安装在风力涡轮机塔架上的雷达传感器，其中雷达发射雷达波束并且测量反射波束信号。处理器使用发射波束信号和反射波束信号之间的多普勒频移来生成指示经过雷达传感器的风力涡轮机叶片的结果信号。此结果信号的斜率指示风力涡轮机塔架和风力涡轮机叶片之间的距离。当风力涡轮机叶片接近风力涡轮机塔架时，毂上的方位传感器用于激活雷达传感器。对于每种风力涡轮机设计，必须根据经验来确定结果信号的斜率和形状。
[0011]已经提出了其他解决方案，但是这些解决方案和上述解决方案的共同之处在于，它们主要由于实现困难、实际可用性、复杂性和成本而没有大规模实现。
[0012]专利技术目的
[0013]本专利技术的目的是提供一种解决现有技术的上述问题的系统和方法。
[0014]本专利技术的目的是提供一种可大规模实现的系统和方法。
[0015]本专利技术的目的是提供一种系统和方法，其可以允许更大的功率产生，同时降低能量的水平成本，并且通过避免塔架撞击和疲劳消耗来增加安全性。本专利技术的目的还在于增加与风力涡轮机相关的安全性。

技术实现思路

[0016]本专利技术的目的通过一种确定风力涡轮机的尖端到塔架间隙的方法来实现，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架，布置在风力涡轮机塔架的顶部上的机舱，具有至少一个相对于机舱布置的风力涡轮机叶片的可旋转转子，其中，距离传感器单元布置在该至少一个风力涡轮机叶片上并且至少包括发射器和接收器，其中，该方法包括以下步骤：
[0017]‑
从距离传感器单元朝向风力涡轮机塔架发射信号，
[0018]‑
测量从风力涡轮机塔架反射的信号，
[0019]‑
基于发射信号和反射信号确定风力涡轮机塔架与该至少一个风力涡轮机叶片之间的距离，其中，该方法还包括以下步骤：
[0020]‑
基于在距离传感器单元的位置处的该至少一个风力涡轮机叶片的实际桨距角和
偏转角(deflection angle)中的至少一个对测量距离进行校正。
[0021]这是有利的，因为其提供了一种快速且简单的方法来确定陆上以及离岸风力涡轮机的实际的尖端到塔架间隙，其中使用非接触技术来测量传感器单元和风力涡轮机塔架之间的距离。由此，允许将本距离传感器制造为可设置有其自己的电源的小而紧凑的单元，从而允许简单且快速安装并且没有过高的成本以确保大规模部署。因此，本距离传感器单元可以在工厂或现场安装在新的风力涡轮机上，或者改装到现有的风力涡轮机上。
[0022]与传统的距离传感器单元相比，本距离传感器具有增加的功能，因为其能够例如基于传感器位置处的实际桨距角和/或偏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种确定风力涡轮机的尖端到塔架间隙的方法，所述风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、机舱、可旋转转子，所述机舱布置在所述风力涡轮机塔架的顶部上，所述可旋转转子具有相对于所述机舱布置的至少一个风力涡轮机叶片，其中，距离传感器单元布置在所述至少一个风力涡轮机叶片上并且至少包括发射器和接收器，其中，所述方法包括以下步骤：
‑
从所述距离传感器单元朝向所述风力涡轮机塔架发射信号，
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测量从所述风力涡轮机塔架反射的信号，
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基于发射信号和反射信号确定所述风力涡轮机塔架与所述至少一个风力涡轮机叶片之间的距离，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
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基于在所述距离传感器单元的位置处的所述至少一个风力涡轮机叶片的实际桨距角和偏转角中的至少一个对测量距离进行校正。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立指示所述至少一个风力涡轮机叶片的至少一个桨距角的至少一个距离分布，其中，基于所述至少一个距离分布来确定所述实际桨距角。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测量所述至少一个风力涡轮机叶片的旋转速度的步骤，其中，使用所述实际桨距角和至少所述旋转速度之间的预定相关性来估计所述实际桨距角。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对所述测量距离进行校正的步骤基于所述实际桨距角或所述偏转角。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对所述测量距离进行校正的步骤基于所述实际桨距角和所述偏转角。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测量所述至少一个风力涡轮机叶片的旋转速度的步骤，其中，所述实际偏转角作为至少所述旋转速度的函数来计算。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述至少一个风力涡轮机叶片经过所述风力涡轮机塔架之前唤醒所述距离传感器单元的步骤，其中，在所述至少一个风力涡轮机叶片已经经过所述风力涡轮机塔架之后，所述距离传感器单元进入休眠。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述距离传感器单元与优选地布置在所述风力涡轮机上的接收装置无线通信。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述接收装置布置在所述机舱的底表面处。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述接收装置放置在所述风力涡轮机附近的地面上。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，执行对所述测量距离进行校正的步骤以获得所述尖端到塔架间隙。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从所述风力涡轮机塔架反射的信号基于来自所述距离传感器单元的信号。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括确定所述至少一个风力涡轮机叶片的角位置的步骤。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述测量距离进行校正的步骤基于所述角位置。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，唤醒所述距离传感器单元的步骤基于所述角位置。16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述测量距离进行校正的步骤还基于所述风力涡轮机的倾斜角。17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述实际桨距角由所述距离传感器单元确定。18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述实际桨距角是从所述距离传感器单元的外部确定的，例如由所述风力涡轮机的风力涡轮机控制器确定。19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述实际桨距角不同于所测量的桨距角，其中，所测量的桨距角是在所述风力涡轮机的变桨轴承系统处测量的。20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括基于所述测量距离主动地改变所述实际桨距角的步骤。21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括基于所述测量距离制动所述风力涡轮机的步骤。22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括基于所述测量距离对辅助风力涡轮机进行控制的步骤。23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括执行预测性维护的步骤。24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机放置在浮动基础设施上，其中，对所述测量距离进行校正的步骤基于所述风力涡轮机塔架的风力涡轮机塔架角度。25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于陀螺仪测量和加速度测量来建立所述距离传感器单元的径向位置。26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从所述距离传感器单元发射的信号具有大约24GHz的频率，例如在23GHz和25GHz之间的频率。27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从所述距离传感器单元发射的信号具有从50GHz到80GHz的频率，例如从60GHz到70GHz的频率。28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定距离的步骤基于频移键控。29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括测量所述至少一个风力涡轮机叶片的一个或多个叶片本征频率的步骤。30.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括将所述一个或多个叶片本征频率与一个或多个模型本征频率进行比较的步骤。31.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，发射信号的步骤基于比较所述一个或多个叶片本征频率的步骤。32.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述一个或多个叶片本征频率无线地传送到所述接收装置。33.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括基于所述一个或多个本征频率激活警报的步骤。34.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括基于所述一个或多
个叶片本征频率提供测量品质因数的步骤。35.一种用于确定风力涡轮机的尖端到塔架间隙的距离传感器单元，所述风力涡轮机包括风力涡轮机塔架、机舱以及可旋转转子，所述机舱布置在所述风力涡轮机塔架的顶部上，所述可旋转转子具有相对于所述机舱布置的至少一个风力涡轮机叶片，其中，所述距离传感器单元布置成位于所述至少一个风力涡轮机叶片上，其中，所述距离传感器单元包括发射器和接收器，其中，所述发射器配置为朝向所述风力涡轮机塔架发射信号，并且所述接收器配置为测量从所述风力涡轮机塔架反射的信号，其中，所述距离传感器单元还包括处理器，该处理器配置为基于发射信号和反射信号来确定所述风力涡轮机塔架和所述至少一个风力涡轮机叶片之间的距离，其特征在于，所述处理器还配置为基于所述至少一个风力涡轮机叶片的实际桨距角和偏转角中的至少一个对测量距离进行校正。36.根据权利要求35所述的距离传感器单元，其特征在于，所述距离传感器单元还包括本地电源，例如一个或多个光伏电池，所述本地电源配置为向所述距离传感器单元的电气部件供电。37.根据权利要求35或36所述的距离传感器单元，其特征在于，所述距离传感器单元还包括陀螺仪，该陀螺仪配置为测量所述至少一个风力涡轮机叶片的旋转速度。38.根据权利要求35至37中任一项所述的距离传感器单元，其特征在于，所述距离传感器单元还包括加速度计，该加速度计配置为测量所述至少一个风力涡轮机叶片的加速度。39.根据权利要求35至38中任一项所述的距离传感器单元，其特征在于，所述距离传感器单元配置为小型自供电传感器单元，该小型自供电传感器单元可选地嵌入或集成到所述至少一个风力涡轮机叶片中。40.根据权利要求35到39中任一项所述的距离传感器单元，其特征在于，所述发射器和所述接收器形成雷达测量单元、LIDAR测量单元或超声波测量单元。41.根据权利要求35至40中任一项所述的距离传感器单元，其中，所述距离传感器单元包括存储器。42.根据权利要求35至41中任一项所述的距离传感器单元，其中，所述发射器和所述接收器组合在收发器单元中。43.一种风力涡轮机，包括：风力涡轮机塔架，布置在所述风力涡轮机塔架上的机舱，具有相对于所述机舱布置的至少一个风力涡轮机叶片的可旋转转子，以及布置在所述至少一个风力涡轮机叶片上的距离传感器单元，其中，所述距离传感器单元包括发射器和接收器，其中，所述发射器配置为朝向所述风力涡轮机塔架发射信号，并且所述接收器配置为测量从所述风力涡轮机塔架反射的信号，其中，所述距离传感器单元还包括处理器，所述处理器配置为基于发射信号和反射信号来确定所述风力涡轮机塔架和所述至少一个风力涡轮机叶片之间的距离，其特征在于，所述处理器还配置为基于在所述至少一个风力涡轮机叶片上的所述距离传感器单元的位置处的所述至少一个风力涡轮机叶片的实际桨距角和偏转角中的至少一个对测量距离进行校正。44.根据权利要求43所述的风力涡轮机，其中，所述距离传感器单元安装在距所述至少一个风力涡轮机叶片的尖端至少1米处，例如距所述尖端至少2米，例如至少3米，例如至少4米，例如至少5米。45.根据权利要求43或44所述的风力涡轮机，其中，所述距离传感器单元安装在距位于
所述至少一个风力涡轮机叶片中的接受器至少0.5米处，例如距所述接受器至少1米，例如距所述接受器至少2米，例如距所述接受器至少3米，例如距所述接受器至少5米。46.根据权利要求43至45中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述距离传感器单元安装在距位于所述至少一个风力涡轮机叶片中的引下线至少0...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿克塞尔，
申请(专利权)人：KK风能解决方案沃延斯公司，
类型：发明
国别省市：