【技术实现步骤摘要】
一种测量上风向水平轴风力机来流风向和风速的装置
[0001]本专利技术属于风电领域，涉及一种测风装置，具体涉及一种测量上风向水平轴风力机来流风向和风速的装置，可较为准确地测得风力机轮毂中心附近精确的来流方向和大小，具有可信度高、鲁棒性强等优点，在风力发电领域具有广泛的应用前景和市场价值。
技术介绍
[0002]在风力发电领域中，风能的捕捉和转化效率受到多种因素的影响，其中准确测量风力机来流方向和风速对风力机控制有着重要的意义。风电机组在运行过程中正对来流时对风能的能量吸收效率最好，机组所受的载荷也相应较低，因此准确测量风向和风速对于实现风力机的精确控制至关重要。通过实时监测来流的风速和方向，可以更好地控制风力机的叶片，并将其调整到最佳工作状态，从而提高发电效率和系统可靠性。在测量风向时，目前行业内主要用风向标来测量风向，而对于上风向机组，风向标只能安装在尾流区域内，受到尾流极大的干扰，因此测量偏差也极大，据此对风力机进行对风也常常出现很大的偏差，因而需要采用其他的测风设备(如激光雷达等)来弥补风向标和风速仪的不足，以提高风向测量的精度和可靠性。测量风速和风向的精度还会受到其他因素的影响，例如风力机旋转时的风阻力、气压变化和环境干扰等。因此，选择合适的测风设备和位置安装非常重要，需要进行标定和验证，确保测量结果的精度和可靠性。如果能准确测量风向，那么就可以对单台风电机组甚至整个风场中的风电机组实现精确控制，通过采用先进的控制策略和算法，如模型预测控制、最大功率跟踪等，可以使单台机组或者整个风场的发电性能最大化。>[0003]目前，在风电行业内主要的几种测量风向包括风向标、超声波风速仪、激光雷达等。现有技术中，如中国专利技术专利CN101389967B和CN101929426B及相关专利等，也有通过在风电机组的机舱或者导流罩上安装压力传感器及角度传感器，据此判断风力机来流的风速和风向，但是从来流风速到表面压力的关系建立过于复杂，叶轮旋转、机组及塔筒受载后倾变形等影响也很难修正，也缺乏通用性。具体而言，首先，从来流风速到表面压力的关系是非常复杂的，这意味着使用上述方法来判断风向和风速是相对困难的。虽然压力传感器和角度传感器可以提供有关风力机叶片表面的压力和角度的信息，但是将这些信息转化为有关来流风速和风向的信息需要进行复杂的计算和模拟。这会导致不确定性和误差增加，从而影响到结果的准确性。其次，风力机叶轮旋转、机组及塔筒的受载后倾变形等因素也会对风速和风向的测量造成影响。这些因素会改变叶片表面的压力和角度，从而导致测量结果的不准确。虽然可以通过对叶轮和机组进行动态校正来纠正这些影响，但这需要复杂的控制算法和高精度的传感器来实现，成本较高且难度较大。最后，这种方法在不同类型的风力机上的通用性也存在问题。由于不同类型的风力机导流罩和叶片形状、尺寸和材料等因素的不同，使用相同的传感器和算法来测量风速和风向的效果可能会有所不同。因此，上述方法可能需要针对不同的风力机进行定制和调整，成本和难度都比较高。
[0004]包括上述专利在内的常见现有技术都有其各自的缺点和不足，例如：(1)对于风向
标、风杯式风速仪、超声波式风速仪等其准确度较低，特别是对于在行业内普遍使用的上风向风机，由于测风设备通常安装在机舱上方，工作在叶轮的尾迹范围内，直接受尾流影响，风速仪和风向标处在来流波动很大的分离气流中，导致测量结果有着极大的不确定度，无法真实反应来流风向的情况。(2)对于通过在风电机组的机舱或者导流罩上安装压力传感器及角度传感器等测风手段而言，受导流罩、机舱、叶片的内侧等外形的影响，标定较为复杂，缺乏实用性。(3)对于使用激光雷达而言，虽然可以较为准确的测量风速和风向，但是其成本较高，而且标定复杂，通常要用其他风速测量设备进行对比标定后使用；此外，激光的光源使用寿命存在问题，并会受天气环境(如雾、降雨降雪)等因素的影响，如空气过于干净或者悬浮物过多，都会影响风速测量的可靠性与准确性。总之，在风力发电行业内，准确测量风向和风速一直是一个难题，现有各种测量方法都存在着一定的缺陷和不足。为了解决这些问题，需要深入研究、开发和完善测风技术，以提高风力机的运行效率和能源利用率。
技术实现思路
[0005](一)专利技术目的
[0006]针对现有技术的上述缺陷和不足，本专利技术旨在提供一种测量上风向水平轴风力机来流风向和风速的装置，其主要特点在于通过在上风向水平轴风力机的导流罩前面安装一个前置测风部件来测量来流的风向和风速，利用重力使前置测风部件近似停留在导流罩前方，同时该前置测风部件能够根据风力机的运行状态实现自动调整和校准，保证测量结果的准确性和稳定性。本专利技术的测量上风向水平轴风力机来流风向和风速的装置相比现有技术具有更高的可信度、更强的鲁棒性，可更加准确可靠地测得来流风向和风速，其通过利用重力使前置测风部件近似停留在导流罩前方，避免了传统风向标测量存在的尾流干扰、信号噪声等问题，提高了测量精度和稳定性。同时，该前置测量装置结构简单，易于安装和维护。本专利技术的适用于上风向水平轴风力机的测量，在风力发电领域中具有广泛的应用前景，通过准确测量风向和风速，可以实现对单台风电机组甚至整个风场中的风电机组实现精确控制，使单台机组或者整个风场的发电性能最大化。
[0007](二)技术方案
[0008]本专利技术为实现其专利技术目的、解决其技术问题所采用技术方案如下：
[0009]一种测量上风向水平轴风力机来流风速和风向的装置，至少包括一设置在风力机轮毂上的导流罩和一设置在所述导流罩上的前置测风部件，根据风力机定义其三维笛卡尔坐标系，其中风力机正对的水平方向为y轴、与y轴垂直且同在水平面上的方向为x轴、垂直向上的方向为z轴，其特征在于，
[0010]所述前置测风部件设置在所述导流罩的前端，其至少包括一水平刚性杆、一活动刚性杆、一重物、一风速仪和一风向标，其中，
[0011]所述水平刚性杆、活动刚性杆整体均为细长杆状部件，其中，所述水平刚性杆沿y轴方向延伸并与所述导流罩的中心线保持一致，其一端与所述导流罩的前端刚性固定连接而与所述导流罩同步转动、另一端通过一铰链与所述活动刚性杆的上端活动连接，所述铰链为一定向约束铰链，使得所述活动刚性杆相对于所述水平刚性杆的端部可同时绕x轴与y轴无约束的自由摆动而在z轴方向上无旋转自由度；所述活动刚性杆的下端与所述重物刚性固定连接，且所述活动刚性杆整体的扭转刚度应使得其本身以及辅设在其上的相关部件
在较大风力等级下产生的扭矩不会使其本身发生扭转变形而影响测风精度；
[0012]所述重物的重量应为所述活动刚性杆重量的一个数量级以上，且在所述导流罩的旋转过程中，其在自身重力作用下始终处于垂直向下的状态；
[0013]所述风速仪、风向标通过其刚性支架以相互之间不发生干涉的方式固定设置在所述活动刚性杆、重物和/或其延伸部分上，且所述风速仪、风向标与风力机控制系统通信连接，以实现将其测量数据传输至所述风力机控制系统。
[0014]本专利技术优选的实例中，所述风速仪、风向标通过其刚性支架固定本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种测量上风向水平轴风力机来流风速和风向的装置，至少包括一设置在风力机轮毂上的导流罩和一设置在所述导流罩上的前置测风部件，根据风力机定义其三维笛卡尔坐标系，其中风力机正对的水平方向为y轴、与y轴垂直且同在水平面上的方向为x轴、垂直向上的方向为z轴，其特征在于，所述前置测风部件设置在所述导流罩的前端，其至少包括一水平刚性杆、一活动刚性杆、一重物、一风速仪和一风向标，其中，所述水平刚性杆、活动刚性杆整体均为细长杆状部件，其中，所述水平刚性杆沿y轴方向延伸并与所述导流罩的中心线保持一致，其一端与所述导流罩的前端刚性固定连接而与所述导流罩同步转动、另一端通过一铰链与所述活动刚性杆的上端活动连接，所述铰链为一定向约束铰链，使得所述活动刚性杆相对于所述水平刚性杆的端部可同时绕x轴与y轴无约束的自由摆动而在z轴方向上无旋转自由度；所述活动刚性杆的下端与所述重物刚性固定连接，且所述活动刚性杆整体的扭转刚度应使得其本身以及辅设在其上的相关部件在较大风力等级下产生的扭矩不会使其本身发生扭转变形而影响测风精度；所述重物的重量应为所述活动刚性杆重量的一个数量级以上，且在所述导流罩的旋转过程中，其在自身重力作用下始终处于垂直向下的状态；所述风速仪、风向标通过其刚性支架以相互之间不发生干涉的方式固定设置在所述活动刚性杆、重物和/或其延伸部分上，且所述风速仪、风向标与风力机控制系统通信连接，以实现将其测量数据传输至所述风力机控制系统。2.根据权利要求1所述的测量上风向水平轴风力机来流风速和风向的装置，其特征在于，所述风速仪、风向标通过其刚性支架固定设置在所述活动刚性杆的靠近下端的位置并位于所述重物的上方，且所述风速仪、风向标固定在所述活动刚性杆或重物上。3.根据权利要求1所述的测量上风向水平轴风力机来流风速和风向的装置，其特征在于，所述风速仪、风向标与风力机控制系统通过有线或者无线的方式通信连接，以实现将其测量数据传输至所述风力机控制系统。4.根据权利要求1所述的测量上风向水平轴风力机来流风速和风向的装置，其特征在于，所述风速仪、风向标在高度方向上位于所述水平刚性杆的上方，并通过其刚性支架固定设置在所述活动刚性杆的上端。5.根据权利要求1所述的测量上风向水平轴风力机来流风速和风向的装置，其特征在于，所述风速仪、风向标上均设有自身配...
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