风力涡轮机光学风传感器制造技术

本发明专利技术包括一种风力涡轮机光学风传感器10，安装在风力涡轮机的转子4上，或者在叶片5上或者在轮毂5上。所述传感器包括多个光源，每一个都产生由至少两个单独的平行分量传感器光束组成的对应传感器光束。将风中携带的进入至少两个分量传感器光束中的颗粒物质的通过时间用于提供风速和/或垂直风速分量的指示中的一个或多个。从传感器接收的数据可以用于风力涡轮机的操作的控制过程中，特别是用于在例如检测到垂直阵风的不利风条件下暂时俯仰转子叶片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】风力涡轮机光学风传感器
本专利技术涉及风能发电厂，具体地，涉及风力涡轮机光学风传感器。
技术介绍
图1示出诸如风力涡轮机1的风能发电厂。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔2，在其上安装风力涡轮机机舱3。包括至少一个风力涡轮叶片5的风力涡轮转子4安装在轮毂6上。轮毂6通过从机舱前面延伸的低速轴(未示出)连接到机舱3。图1中示出的风力涡轮机可以是意图用于家庭或轻型用途的小型模型，或者可以是大型模型，诸如适合于在例如风力电场上大规模发电中使用的那些。在后一情况下，转子的直径可以达到100米或以上。为了安全且有效地从风中提取能量，许多风力涡轮机包括风速计或风传感器，其提供与入射风速和方向有关的信息。这种信息对于监控在现场可获得的风量以用于产能目的以及控制都是有用的。获知风向可实现风力涡轮机机舱的偏转角的调整，以使得转子叶片在产能的时间过程中完全面对入射风。此外，获知风速可实现转子叶片的俯仰(pitch)的调整，以便可以仔细控制从入射风中提取的能量的量，以满足需要并满足其它运行参数。例如常常有必要使得风力涡轮机转子叶片的平面与风成角度，或者调整转子叶片的俯仰以漏过风，以避免与风速过高相关联的结构问题或电气过载。因此，与风速和风向有关的准确信息是诸如SCADA系统的风力涡轮机控制和监控系统中至关重要的输入。风力涡轮机风传感器部署于其中的运行环境会是严酷的，常常是许多传感器操作困难的主要原因。例如，机械风速计随着在其运动部件上的灰尘和冰的积聚而易于出现故障。而诸如基于LIDAR(光探测及测距)装置的那些基于电或激光的风传感器更能够经受灰尘和冰，它们更易于受到雷击的损害，风力涡轮机由于其高度和位置而经常受到雷击的困扰。基于LIDAR的系统在安装上也相对昂贵。使用避雷器提供了将来自雷击的能量从灵敏设备引出的一个方式。然而，避雷器并非总是适合于保护传感器设备，由于包括诸如配线和电路的金属部件，传感器设备同样受到放电和感应电流的损害。另外，许多风力涡轮机都是在假定与风力涡轮机转子叶片相遇的风在转子正面上并在垂直于转子叶片的旋转平面(转子平面)的方向上接近的情况下运行的。然而实际上，由于阵风，风常常在垂直方向上具有相当大的分量。这些会由于大气情况和风向的变化自发地发生，并且有时由于风力涡轮机所在的地形形状而被放大。许多风力涡轮机都具有位于机舱上的风速计，其指示入射风速和方向，或者在转子轮毂上的基于LIDAR的系统，其监控接近涡轮机的阵风。然而这种系统并非设计用于检测以强垂直分量接近涡轮机的阵风。如果没有预先检测到这种阵风，并且如果叶片没有相应地俯仰以使得风的冲击偏转，它们会严重损坏风力涡轮机转子叶片。因此，意识到需要一种风能发电厂，其具有能够准确提供与入射风有关的信息的传感器，以便于控制和监控，并且尽管有以上提及的难题，它也能够可靠地运行。
技术实现思路
在要参考的独立权利要求中定义本专利技术。在从属权利要求中记载了有利的特征。根据本专利技术的第一方面，提供一种风力涡轮机光学风传感器，包括：多个光源，安装在风力涡轮机的转子上，以使得在使用中，所述光源围绕转子的旋转轴旋转；其中，每一个光源定位为发出至少具有与转子的旋转轴正交的第一方向光束分量的传感器光束，并且其中，每一个传感器光束由至少两个平行分量传感器光束组成，所述传感器光束以相对于水平轴10到80度之间的角度投射在所述转子的叶片的前面；多个光接收器件，安装在所述转子上，以使得在使用中，所述光源围绕转子的旋转轴旋转；并且其中，所述多个光接收器件定位为使得每一个传感器光束与至少第一对应的光接收器件相关联，以检测来自风中的通过至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁；控制器，耦合到所述多个光接收器件，用于处理检测到的光的闪烁，并确定通过对应的至少两个分量传感器光束的颗粒物质的通过时间，以及基于检测到的通过时间，给出风中的颗粒物质的运动速度和方向的指示。由于传感器位于风力涡轮机转子上，其可以用于检测转子叶片处的风速和风向的瞬时变化，并允许控制器采取即时的动作，以确保叶片的安全运行。在一个实施例中，至少两个传感器光束具有第二方向光束分量，其平行于转子的旋转轴；并且其中，所述控制器被配置为：根据对应的分量传感器光束的闪烁，确定通过所述至少两个传感器光束中的每一个传感器光束的颗粒物质的通过时间；比较每一个传感器光束对应的通过时间；以及针对风向确定垂直速度分量的指示。以此方式，控制器可以检测会损害叶片的垂直方向的阵风。有利地，所述控制器被配置为确定风的垂直速度分量的指示是否高于阈值水平，并发出警报信号。所述控制器还可以被配置为确定风的垂直速度分量的指示是否高于阈值水平，如果是，则使得风力涡轮机叶片俯仰以漏过风。在一个实施例中，所述传感器包括取向传感器，用于确定轮毂、或者一个或多个叶片的取向，并且其中，所述控制器针对每一个检测到的通过时间，记录检测到闪烁时的传感器光束的取向。这实现传感器更可靠地运行。在一个实施例中，所述光源安装在转子叶片上，以使得所述传感器光束投射到叶片的纵向方向上和叶片的前面；并且其中，光检测器位于转子叶片上，与对应的光源相邻并定位为检测来自风中的通过所述至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁。以此方式，将传感器定位在它们提供的数据最能够表明转子叶片的运行情况的位置。更优选地，传感器光束以相对于水平轴30到60度之间的角度投射在转子叶片的前面。这确保了检测到的光的闪烁中良好的信噪比。多个光源和光检测器可以位于每一个转子叶片上。通过在叶片上安装传感器，传感器可以用于检测横跨转子叶片的整个半径的风速的垂直分量。在进一步的实施例中，光源和光接收器件安装在转子轮毂上。其优点在于易于安装和维护，并且意味着传感器的操作与叶片的俯仰运动无关。一个或多个光源和光检测器可以安装在从转子轮毂突出的杆上。这允许适当地容纳传感器系统，而无需考虑轮毂尺寸。杆可以在转子轮毂前面突出，并且安装为与转子轮毂的旋转轴同轴旋转。在这一布置中，顺序布置至少两个传感器光束，例如围绕旋转轴隔开180度，因为这使得检测效果最大化。在一个实施例中，由控制器在延长的时间段中收集指示对于风向的垂直速度分量的数据，并发送到风力涡轮机组操作者。这允许风力涡轮机组或公用设备操作者确定风力涡轮机的位置是否倾向于垂直方向上的阵风。可替换地，光源可以布置在转子轮毂上，以使得与转子平面平行地投射传感器光束；光接收器件位于转子叶片中。这提供了有优势的风速计，能够测量接近于自由风速的风速。有利地，至少两个平行分量传感器光束具有相对于彼此不同的光波长，因此反射具有不同的波长。这提供了对通过时间更好的检测，通过检测哪一个光束首先被截断给出了风向的指示。可替换地，至少两个平行分量传感器光束具有相同的波长，但布置为以不同频率闪烁。每一个光源可以包括连接到光电子光源的光纤，其中，光电子光源容纳在风力涡轮机的电屏蔽部分中。这确保了传感器可以抗雷击。此外，光接收器件可以连接到容纳在风力涡轮机的电屏蔽部分中的光电检测器，光接收器件及其到光电检测器的耦合是非电敏感的。这确保了传感器可以抗雷击。为了构造的经济性，每一个光源的光纤可以连接到相同的光电子光发射器。根据本专利技术的第二方面，提供一种风力涡轮机，包括前述任一项权利要求所述的传感器。根据本专利技术的第三方面，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力涡轮机光学风传感器，包括：多个光源，安装在风力涡轮机的转子上，以使得在使用中，所述光源围绕所述转子的旋转轴旋转；其中，每一个光源定位为发出至少具有与所述转子的旋转轴正交的第一方向光束分量的传感器光束，并且其中，每一个传感器光束由至少两个平行分量传感器光束组成；多个光接收器件，安装在所述转子上，以使得在使用中，所述光源围绕所述转子的旋转轴旋转，并且其中，所述多个光接收器件定位为使得每一个传感器光束与至少第一对应光接收器件相关联，以检测来自风中的通过所述至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁；控制器，耦合到所述多个光接收器件，用于处理检测到的光的闪烁，并确定通过对应的至少两个分量传感器光束的颗粒物质的通过时间，并且基于检测到的通过时间，给出风中的所述颗粒物质的运动速度和/或方向中的一个或多个的指示。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.04 DK PA201170219;2011.05.05 US 61/482,621.一种风力涡轮机光学风传感器，包括：多个光源，安装在风力涡轮机的转子上，以使得在使用中，所述光源围绕所述转子的旋转轴旋转；其中，每一个光源定位为发出至少具有与所述转子的旋转轴正交的第一方向光束分量的传感器光束，并且其中，每一个传感器光束由至少两个平行分量传感器光束组成，所述传感器光束以相对于水平轴10到80度之间的角度投射在所述转子的叶片的前面；多个光接收器件，安装在所述转子上，以使得在使用中，所述光源围绕所述转子的旋转轴旋转，并且其中，所述多个光接收器件定位为使得每一个传感器光束与至少第一对应光接收器件相关联，以检测来自风中的通过所述至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁；控制器，耦合到所述多个光接收器件，用于处理检测到的光的闪烁，并确定通过对应的至少两个分量传感器光束的颗粒物质的通过时间，并且基于检测到的通过时间，给出风中的所述颗粒物质的运动速度和方向的指示。2.根据权利要求1所述的传感器，其中，至少两个传感器光束具有平行于所述转子的旋转轴的第二方向光束分量；并且其中，所述控制器被配置为：根据对应的分量传感器光束的闪烁，确定通过所述至少两个传感器光束中的每一个传感器光束的颗粒物质的通过时间；比较每一个传感器光束的对应的通过时间；以及针对风向，确定垂直速度分量的指示。3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述控制器被配置为：确定风的垂直速度分量的指示是否高于阈值水平，如果是，则发出警报信号。4.根据权利要求2或3所述的传感器，其中，所述控制器被配置为：确定风的垂直速度分量的指示是否高于阈值水平，如果是，则使得风力涡轮机叶片俯仰以漏过风。5.根据权利要求2或3所述的传感器，其中，所述控制器被配置为操作取向传感器，用以确定轮毂、或者一个或多个叶片的取向，并且其中，所述控制器针对每一个检测到的通过时间，记录检测到闪烁时的传感器光束的取向。6.根据权利要求2或3所述的传感器，其中，所述光源安装在转子叶片上，以使得所述传感器光束投射到所述叶片的纵向方向上和所述叶片的前面；以及其中，光接收器件位于所述转子叶片上，与对应的光源相邻并定位为检测来自风中的通过所述至少两个分量传感器光束的颗粒物质的光的闪烁。7.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器光束以相对于水平轴30到60度之间的角度投射在所述转子叶片的前面。8.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述光源和所述光接收器件位于每一个转子叶片上。9.根据权利要求1至3...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·S·奥勒森，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统集团公司，
类型：
国别省市：